KR101601443B1 - Driving control method of fuel cell system - Google Patents

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전순일
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Abstract

연료전지 시스템의 운전 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법은 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택의 열화 상태에 기반하여 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는 단계, 판단된 상태에 따라 연료전지 시스템의 진단 레벨을 분류하는 단계; 및 분류된 진단 레벨에 대응하는 적어도 하나의 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 단계를 포함한다. A method of controlling an operation of a fuel cell system is disclosed. A method of controlling an operation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes the steps of determining a water shortage state in the fuel cell stack based on an air supercharging state of the fuel cell stack or a deterioration state of the fuel cell stack, Classifying the diagnostic level of the fuel cell system according to the state; And selecting and operating at least one recovery operation mode corresponding to the classified diagnostic level.

Description

연료전지 시스템의 운전 제어 방법{DRIVING CONTROL METHOD OF FUEL CELL SYSTEM}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a fuel cell system,

본 발명은 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 스택의 상태에 따라 상이한 회복 운전을 실시할 수 있는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of controlling an operation of a fuel cell system, and more particularly, to a method of controlling operation of a fuel cell system capable of performing different recovery operations depending on the state of the fuel cell stack.

환경친화적인 미래형 자동차의 하나인 수소 연료전지 차량에 적용되는 연료전지 시스템은, 반응가스의 전기화학 반응으로부터 전기에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 연료인 수소를 공급하는 수소공급장치, 연료전지 스택에 전기화학 반응에 필요한 산화제인 산소를 포함하는 공기를 공급하는 공기공급장치, 및 연료전지 스택의 전기화학 반응 부산물인 열을 외부로 방출시켜 연료전지 스택의 운전온도를 최적으로 제어하고 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리 시스템을 포함하여 구성된다.A fuel cell system applied to a hydrogen fuel cell vehicle, which is one of environmentally friendly future vehicles, includes a fuel cell stack that generates electric energy from an electrochemical reaction of a reaction gas, a hydrogen supply device that supplies hydrogen as fuel to a fuel cell stack, An air supply device for supplying air containing oxygen, which is an oxidizing agent required for the electrochemical reaction, to the fuel cell stack, and an operation for controlling the operating temperature of the fuel cell stack by discharging heat, which is a by- And a heat and water management system that performs water management functions.

이러한 차량용 연료전지 시스템에서는 연료전지만을 차량의 동력원으로 사용하는 경우 차량을 구성하고 있는 부하 모두를 연료전지가 담당하게 되므로 연료전지의 효율이 낮은 운전영역에서 성능 저하가 발생하는 단점이 있다.In such a vehicle fuel cell system, when only the fuel cell is used as the power source of the vehicle, the fuel cell takes charge of all the loads constituting the vehicle, so that the performance of the fuel cell is deteriorated in a low operating efficiency range.

또한 차량에 급격한 부하가 인가되는 경우에는 연료전지의 출력 전압이 순간적으로 급강하하고 구동모터에 충분한 전력을 공급하지 못하여 차량 성능이 저하될 수 있다(연료전지는 화학반응에 의해 전기를 발생시키므로 급격한 부하 변동에 대해서는 무리가 감).In addition, when a sudden load is applied to the vehicle, the output voltage of the fuel cell dips instantaneously and fails to supply sufficient power to the driving motor, which may degrade the performance of the vehicle (fuel cells generate electricity by chemical reaction, Fluctuations are unreasonable).

또한 연료전지는 단방향성 출력 특성을 가지므로 차량 제동시 구동모터로부터 인입되는 에너지를 회수할 수 없어 차량 시스템의 효율성을 저하시키는 단점이 있다.In addition, since the fuel cell has a unidirectional output characteristic, the energy drawn from the driving motor at the time of braking the vehicle can not be recovered, thereby decreasing the efficiency of the vehicle system.

이러한 단점들을 보완하기 위한 방안으로 주동력원인 연료전지 외에 구동모터 및 고전압 부품 구동을 위한 별도의 보조동력원으로 에너지 저장장치, 예컨대 충/방전 가능한 고전압 배터리 또는 슈퍼커패시터(슈퍼캡)를 탑재할 수 있다.In order to overcome these disadvantages, an energy storage device such as a high-voltage battery or a supercap (supercap) capable of charging / discharging can be mounted as a separate auxiliary power source for driving a driving motor and a high-voltage component in addition to a fuel cell as a main power source .

한편, 애노드에 남아있는 잔존 수소가 전기 발생 없이 전해질 막을 직접 통과하여 캐소드의 산소와 반응하는 현상을 수소 크로스오버(Crossover)라 하며, 이러한 수소 크로스오버 양을 줄이기 위해서 저출력 구간에서는 애노드 압력을 낮추고 고출력 구간에서는 애노드 압력을 높여야 한다. 애노드 압력(수소압)이 커질수록 수소 크로스오버 양은 증가하며, 수소 크로스오버는 연비 및 연료전지 내구에 좋지 않은 영향을 미치므로 적절한 애노드 압력을 유지하는 것이 필요하다. 수소 퍼지 밸브는 애노드 측의 불순물 및 응축된 물을 배출하여 스택 성능을 확보하기 위한 용도이며, 애노드 출구단은 워터 트랩과 연결되어 응축된 물을 저장 후 양이 일정수준에 도달하면 밸브를 통해 배출한다. On the other hand, the phenomenon that the remaining hydrogen remaining in the anode reacts with the oxygen of the cathode through the electrolyte membrane without generating electricity is called a hydrogen crossover. To reduce the amount of hydrogen crossover, the anode pressure is lowered and the high- The anode pressure must be increased. As the anode pressure (hydrogen pressure) increases, the amount of hydrogen crossover increases, and hydrogen crossover has a negative effect on fuel consumption and fuel cell durability, so it is necessary to maintain proper anode pressure. The hydrogen purge valve is used for discharging impurities and condensed water on the anode side to ensure stacking performance. The anode outlet end is connected to the water trap to store the condensed water, and when the amount reaches a certain level, do.

이와 같이 연비 향상을 위해 차량 운행 도중에 필요한 경우 연료전지의 발전을 정지시키고 재개하는 과정[연료전지 정지(Fuel Cell Stop)/연료전지 재시동(Fuel Cell Restart) 과정], 즉 연료전지 하이브리드 차량에서 연료전지의 발전을 일시적으로 정지시키는 아이들 스탑(Idle Stop)/해제 제어 과정[연료전지의 온(On)/오프(Off) 제어 과정]이 중요하게 고려되어야 한다. In order to improve the fuel economy, the process of stopping and restarting the fuel cell (fuel cell stop / fuel cell restart process), that is, the process of restarting the fuel cell in the fuel cell hybrid vehicle, An idle stop / disengagement control process (an on / off control process of the fuel cell) for temporarily stopping the power generation of the fuel cell should be considered.

특히, 주행 중에 연료전지 발전을 정지하고 재개함에 있어서 공기의 유입에 의해 연료전지 스택에 드라이 아웃(Dry out)이 발생하는 문제뿐만 아니라, 차량의 재가속성, 연비 등을 종합적으로 고려한 제어가 중요하다. Particularly, it is important to consider not only the problem of dry out in the fuel cell stack due to the inflow of air in stopping and resuming the fuel cell power generation while driving, but also the consideration of the ashes property and fuel consumption of the vehicle .

미국공개특허 제2011-0000349호는 저출력 구간에서 연료전지가 개회로 전압 근처에서 운전되지 않도록 연료전지 스택으로 공급되는 공기를 바이패스시켜 연료전지 스택에 공급되는 공기의 양을 줄이고, 배터리를 강제 충전하거나 부하를 이용하는 발명에 관한 것이며, 일본공개특허 제2011-0245119호는 연료전지 스택이 고온에서 운전 중일 때, 연료전지 스택의 전압을 배터리의 충전량에 따라 강제적으로 전압을 떨어뜨려 배터리를 충전시키는 발명에 관한 것이다.U.S. Patent Application Publication No. 2011-0000349 discloses a fuel cell system in which the amount of air supplied to the fuel cell stack is reduced by bypassing the air supplied to the fuel cell stack such that the fuel cell is not operated near the open circuit voltage in the low output period, And Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2011-0245119 discloses an invention in which when the fuel cell stack is operating at a high temperature, the voltage of the fuel cell stack is forcibly dropped in accordance with the charged amount of the battery to charge the battery .

또한 본 출원인에 의해 대한민국 등록특허 제1230900호는 연비 목적으로 저출력 구간에서 연료전지의 발전을 중지하고, 연료전지 발전 상황에서는 일정 전압 이하에서만 사용되도록 하는 발명에 관한 것이다.Also, Korean Patent Registration No. 1230900 by the applicant of the present invention relates to an invention for stopping the generation of fuel cells in a low output section for fuel efficiency and using the engine only under a certain voltage in a fuel cell power generation situation.

본 발명은 연료전지 스택의 상태에 따라 회복 운전 모드를 선택하는 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a method for controlling operation of a fuel cell system that selects a recovery operation mode according to the state of the fuel cell stack.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법은 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택의 열화 상태에 기반하여 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는 단계; 상기 판단된 상태에 따라 연료전지 시스템의 진단 레벨을 분류하는 단계; 및 상기 분류된 진단 레벨에 대응하는 적어도 하나의 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 단계를 포함한다.A method of controlling an operation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes: determining a state of water shortage inside the fuel cell stack based on an air supercharge state of the fuel cell stack or a deterioration state of the fuel cell stack; Classifying the diagnostic level of the fuel cell system according to the determined state; And selecting and operating at least one recovery operation mode corresponding to the classified diagnostic level.

상기 분류하는 단계는, 상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 시스템의 고장에 기인하여 상기 연료전지 스택으로의 공기 과급이 예측되는 제1 상태라고 판단되면, 상기 제1 상태를 제1 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 한다.Wherein the classifying step classifies the first state into a first diagnostic level when it is determined that the air conditioner is predicted to be in a first state due to a failure of the fuel cell system in the determining step .

상기 분류하는 단계는, 상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 스택으로 공기가 과급되어, 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 발생이 예측되는 제2 상태라고 판단되면, 상기 제2 상태를 제2 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 한다.Wherein the classifying step comprises: when the air is supercharged to the fuel cell stack in the determining step and it is determined that the water shortage inside the fuel cell stack is predicted to be in a second state, Is classified.

상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 대해 상기 연료전지 스택으로 과급되는 공기량 또는 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값을 통해 산출되는 상기 캐소드 측 잔존수의 변화에 기반하여 판단되는 것을 특징으로 한다.The second state is determined based on a change in the cathode-side remaining number calculated through an amount of air supercharged into the fuel cell stack with respect to the output current consumption of the fuel cell stack or an estimated value of the cathode-side relative humidity of the fuel cell stack .

상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 차이인 공기 과급량과 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 한다.Wherein the second state is a result of calculating an air supercharge amount which is a difference between an amount of air required for the output current consumption of the fuel cell stack and an amount of air supplied to the fuel cell stack and a resultant value calculated according to the operation temperature of the fuel cell stack, Or more.

상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 비율 및 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 한다.The second state is a state in which the ratio of the amount of air required for the output current consumption of the fuel cell stack to the amount of air supplied to the fuel cell stack and the resultant value calculated according to the operation temperature of the fuel cell stack is equal to or greater than the first reference value .

상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값은 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 것을 특징으로 한다.The estimated value of the cathode side relative humidity of the fuel cell stack is estimated based on the temperature of the cathode side inlet and outlet of the fuel cell stack, the air flow rate of the fuel cell stack inlet, and the generated current amount of the fuel cell stack .

상기 잔존수의 변화는 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 상기 추정값일 때와 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 90 내지 110%일 때의 캐소드 측 출구의 수증기 유량에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 한다.And the change in the remaining number is calculated based on the water vapor flow rate at the cathode side outlet when the relative humidity at the cathode side outlet is the estimated value and the relative humidity at the cathode side outlet is 90 to 110%.

상기 캐소드 측 출구의 수증기 유량은 상기 캐소드 측 출구의 수증기압, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따른 상기 캐소드 측 출구의 공기압, 및 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따라 산출되는 것을 특징으로 한다.The water vapor flow rate at the cathode side outlet is calculated according to the water vapor pressure at the cathode side outlet, the air pressure at the cathode side outlet according to the air flow rate at the inlet of the fuel cell stack, and the air flow rate at the inlet of the fuel cell stack.

상기 분류하는 단계는,Wherein said classifying comprises:

상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지의 전류 및 전압, 임피던스 또는 전류 차단법을 통해, 물부족으로 인한 스택의 열화가 진행된 제3 상태라고 판단되면, 상기 제3 상태를 제3 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 한다.And classifying the third state into a third diagnostic level if it is determined that the stack is deteriorated due to water shortage through the current, voltage, impedance, or current cutoff method of the fuel cell in the determining step .

상기 회복 운전 모드는, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드, 및 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 포함하는 것을 특징으로 한다.The recovery operation mode includes a recovery operation mode for controlling the temperature of the inlet and the outlet of the cooling water of the fuel cell stack to forcibly cool the fuel cell stack, a recovery operation mode for alleviating the idle stop entry condition of the fuel cell system, A recovery operation mode for lowering the main bus voltage connected to the output terminal of the battery stack, a recovery operation mode for lowering the basic air supply flow rate, and a recovery operation mode for operating the fuel cell stack with a minimum stoichiometric ratio (SR) And a control unit.

상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기준 온도보다 낮게 설정하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.And the recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack is a recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack by setting a target temperature of the inlet and the outlet of the cooling water to be lower than a reference temperature.

상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 온도를 실제 온도보다 소정 오프셋만큼 높은 온도로 설정하여 설정된 온도에 맞게 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.A recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack is a recovery operation mode in which the temperature of the inlet and the outlet of the cooling water is set to a temperature higher than the actual temperature by a predetermined offset to forcibly cool the fuel cell stack to a set temperature.

상기 회복 운전시키는 단계는,Wherein the recovering and driving step includes:

상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 설정하는 기준 온도와 오프셋을 가변하여 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 한다.And adjusting the reference temperature and the offset according to the classified diagnostic level to perform a recovery operation.

상기 아이들 스탑 진입 조건은 연료전지 차량의 부하가 기설정된 기준치보다 작고, 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 충전 상태보다 높은 경우이며,The idle stop entry condition is a case where the load of the fuel cell vehicle is smaller than a preset reference value and the state of charge (SOC) of the battery is higher than a predetermined state of charge,

상기 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드는 상기 기설정된 기준치를 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 낮추는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.The recovery operation mode for relieving the idle stop entry condition is a recovery operation mode for raising the predetermined reference value and lowering the predetermined charging state.

상기 회복 운전시키는 단계는, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기설정된 기준치를 더 많이 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 더 많이 낮춰 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 한다.The recovering operation step may further increase the predetermined reference value according to the classified diagnosis level, and further reduce the predetermined charging state to perform a recovery operation.

상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며, 상기 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전은, 상기 메인 버스단 운전 전압의 상한치를 하향하여 상기 연료전지 스택의 출력이 기설정된 출력값 이하가 되는 것을 방지하는 운전인 것을 특징으로 한다.Further comprising the step of: determining whether the battery is in a chargeable state before the recovery operation, when the recovery operation mode is selected by selecting a recovery operation mode for lowering the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack, And the recovery operation for lowering the main bus voltage is an operation for lowering the upper limit value of the main bus terminal operation voltage to prevent the output of the fuel cell stack from becoming a predetermined output value or less.

상기 분류된 진단 레벨에 따라 회생 제동 중인 경우에도 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 것을 특징으로 한다.And a recovery operation mode for lowering the voltage of the main bus terminal connected to the output terminal of the fuel cell stack even in the case of regenerative braking according to the classified diagnosis level.

상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계에서, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 SOC 이상인 경우, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키지 않고, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 고전압 히터를 동작시킬 수 있다.(SOC) of the battery is equal to or greater than a predetermined SOC, the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack is lowered in the step of determining whether charging of the battery is possible before the recovery operation The high voltage heater connected to the output terminal of the fuel cell stack can be operated without selecting the recovery operation mode and performing the recovery operation.

상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압의 상한치 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 한다.And a recovery operation mode for lowering the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack is selected to perform a recovery operation, the degree of the lowering of the upper limit value of the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack according to the classified diagnosis level .

상기 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기본 공기 공급 유량의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 한다.Wherein the degree of downward flow of the basic air supply flow rate is varied according to the classified diagnosis level when a recovery operation mode for lowering the basic air supply flow rate is selected and recovery operation is performed.

상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드는, 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값에 따라서 상기 화학양론비의 제어 영역을 하향하는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 한다.Wherein the recovery operation mode for operating the fuel cell stack with the minimum stoichiometric ratio (SR) includes: a temperature of the cathode side inlet and an outlet of the fuel cell stack; an air flow rate of the fuel cell stack inlet; And a recovery operation mode in which the control region of the stoichiometric ratio is lowered in accordance with the estimated value of the cathode side relative humidity of the fuel cell stack estimated based on the generated current amount.

상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 한다.And a recovery operation mode in which the fuel cell stack is operated with the minimum stoichiometric ratio (SR) is selected to perform a recovery operation, the downward degree of the stoichiometric ratio control region is varied according to the classified diagnosis level .

상기 회복 운전시키는 단계는, 상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 선택된 회복 운전 모드의 수를 달리하여 회복 운전시키는 단계이다.The step of performing the recovery operation may include a step of performing a recovery operation by varying the number of the selected recovery operation modes according to the classified diagnosis level.

본 발명의 일 실시 예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에 따르면, 연료전지 스택의 드라이 아웃(Dry Out) 상황을 방지하며, 드라이 아웃 상황의 회복 운전을 통하여 연료전지의 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to the operation control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention, it is possible to prevent the dry out situation of the fuel cell stack and to improve the durability of the fuel cell through the recovery operation in the dry- It is effective.

또한, 연료전지 시스템에서 발생할 수 있는 문제에 의해 또는 운전 패턴에 따른 연료전지 스택의 성능이 감소하는 것을 최소화시키며, 초기의 운전 성능을 지속적으로 유지할 수 있는 효과가 있다.In addition, the reduction of the performance of the fuel cell stack due to a problem that may occur in the fuel cell system or the operation pattern is minimized, and the initial operation performance can be maintained continuously.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작 기준을 표현한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정의 구현예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 이용하는 진단 레벨별 상태 감지 방법과 상태 발생 원인을 도시한 표이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 상대 습도 추정 모델을 간략히 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 강제 냉각 회복 운전을 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태와 대응되는 회복 운전 모드를 도시한 표이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 공급 화학 양론비 가변 제어를 도식화한 도면이다.
도 14는 종래 기술에 대한 본 발명의 효과를 도시한 그래프이다.1 is a power net configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing an operation standard of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.
3 is a view illustrating an idle stop and a restarting process of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing an embodiment of an idle stop and a restart process of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a table showing a state detection method for each diagnostic level used in the operation control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention and a cause of state occurrence.
6 is a view schematically showing a relative humidity estimation model in the operation control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention.
7 to 10 are flowcharts illustrating a method of controlling the operation of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
11 is a view showing a forced cooling recovery operation according to an embodiment of the present invention.
12 is a table showing a state of the fuel cell stack and a corresponding recovery operation mode according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram illustrating an air supply stoichiometric non-variable control according to an embodiment of the present invention.
14 is a graph showing the effect of the present invention on the prior art.

본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. Specific structural and functional descriptions of the embodiments of the present invention disclosed herein are for illustrative purposes only and are not to be construed as limitations of the scope of the present invention. And should not be construed as limited to the embodiments set forth herein or in the application.

본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. The embodiments according to the present invention are susceptible to various changes and may take various forms, so that specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in this specification or application. It is to be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms of disclosure, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.The terms first and / or second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are intended to distinguish one element from another, for example, without departing from the scope of the invention in accordance with the concepts of the present invention, the first element may be termed the second element, The second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises ", or" having ", or the like, specify that there is a stated feature, number, step, operation, , Steps, operations, components, parts, or combinations thereof, as a matter of principle.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be construed as meaning consistent with meaning in the context of the relevant art and are not to be construed as ideal or overly formal in meaning unless expressly defined herein .

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 파워넷 구성도이다. 도시된 바와 같이, 차량용 연료전지-배터리 하이브리드 시스템은, 메인버스단(11)을 통해 병렬로 접속되는 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원인 고전압 배터리(메인배터리)(20), 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 고전압 배터리(20)에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(BHDC:Bidirectional High Voltage DC/DC Converter)(21), 연료전지(10)와 고전압 배터리(20)의 출력측인 메인버스단(11)에 연결된 인버터(31), 인버터(31)에 연결된 구동모터(32), 인버터(31) 및 구동모터(32)를 제외한 차량 내 고전압 부하(33), 저전압 배터리(보조배터리)(40) 및 저전압 부하(41), 저전압 배터리(40)와 메인버스단(11) 사이에 연결되어 고전압을 저전압으로 변환해주는 저전압 DC/DC 컨버터(LDC:Low Voltage DC/DC Conveter)(42)를 포함할 수 있다.1 is a power net configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, a fuel cell-battery hybrid system for a vehicle includes a fuel cell 10 as a main power source connected in parallel through a main bus terminal 11, a high voltage battery (main battery) 20 as an auxiliary power source, A bidirectional DC / DC converter (BHDC) 21 connected to the high voltage battery 20 so as to control the output of the high voltage battery 20, An inverter 31 connected to the main bus terminal 11, a drive motor 32 connected to the inverter 31, an in-vehicle high voltage load 33 excluding the inverter 31 and the drive motor 32, a low voltage battery A low voltage DC / DC converter (LDC: Low Voltage DC / DC Converter) 42 (hereinafter referred to as " low voltage DC / DC converter ") 42 connected between the low voltage load 40 and the main bus terminal 11 for converting a high voltage into a low voltage ).

여기서, 차량의 주동력원인 연료전지(10)와 보조동력원으로 사용되는 고전압 배터리(20)가 메인버스단(11)을 통해 인버터(31)/구동모터(32) 등 시스템 내 각 부하에 대해 병렬로 접속되고, 고전압 배터리단에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(21)가 연료전지(10)의 출력측인 메인버스단(11)에 접속되어, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압(메인버스단으로의 출력 전압) 제어에 의해 연료전지(10)의 출력 및 고전압 배터리(20)의 출력 제어가 가능하도록 되어 있다.Here, the fuel cell 10, which is the main power source of the vehicle, and the high-voltage battery 20 used as the auxiliary power source are connected in parallel through the main bus terminal 11 to each load in the system such as the inverter 31 / Directional DC / DC converter 21 connected to the high voltage battery stage is connected to the main bus terminal 11 which is the output side of the fuel cell 10 so that the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 The output of the fuel cell 10 and the output of the high-voltage battery 20 can be controlled.

연료전지(10)의 출력단에는 역전류가 흐르지 않도록 연결된 다이오드(13)와, 연료전지(10)를 메인버스단(11)에 선택적으로 연결하도록 구비된 릴레이(14)가 설치된다. 릴레이(14)는 연료전지(10)가 정상 운전되는 차량 운행 중뿐만 아니라 연료전지 시스템의 아이들 스탑/재시동 상태에서 항시 연결된 상태로 있게 되며, 차량의 키 오프(키오프에 따른 정상 셧다운)시 또는 비상 셧다운시에만 연결이 해제된다.A diode 13 connected to an output terminal of the fuel cell 10 and a relay 14 connected to the fuel cell 10 to selectively connect the fuel cell 10 to the main bus terminal 11 are provided. The relay 14 is always connected in the idle stop / re-start state of the fuel cell system as well as during normal operation of the fuel cell 10 during vehicle operation, and when the vehicle is key off (normal shutdown due to key-off) The connection is released only in emergency shutdown.

또한 구동모터(32)를 회전시키기 위한 인버터(31)가 메인버스단(11)을 통해 연료전지(10) 및 고전압 배터리(20)의 출력측에 연결되어 연료전지(10) 및/또는 고전압 배터리(20)에서 공급되는 전원을 상 변환시켜 구동모터(32)를 구동시킨다.An inverter 31 for rotating the drive motor 32 is connected to the output side of the fuel cell 10 and the high voltage battery 20 via the main bus terminal 11 to connect the fuel cell 10 and / 20 to drive the drive motor 32. The drive motor 32 drives the drive motor 32 to rotate.

이러한 연료전지 시스템에서 구동모터(32)의 구동은 연료전지(10)의 출력(전류)을 단독으로 이용하는 FC 모드, 고전압 배터리(20)의 출력을 단독으로 이용하는 EV 모드, 연료전지(10)의 출력을 고전압 배터리(20)의 출력이 보조하게 되는 HEV 모드로 이루어진다. 특히, 연료전지 시스템에서 아이들 스탑 및 재시동 후 연료전지(10)의 출력으로 구동모터(32)가 구동되기 전까지의 EV 모드 주행 상태에서는 연료전지(10)의 발전이 정지되어 고전압 배터리(20)의 출력만으로 구동모터(32)의 구동 및 차량 주행이 이루어진다.In this fuel cell system, the driving of the driving motor 32 may be performed by an FC mode using the output (current) of the fuel cell 10 alone, an EV mode using the output of the high-voltage battery 20 alone, And the HEV mode in which the output of the high-voltage battery 20 assists the output. Particularly, in the fuel cell system, in the EV mode running state until the drive motor 32 is driven by the output of the fuel cell 10 after the idle stop and restarting, the power generation of the fuel cell 10 is stopped and the high voltage battery 20 The drive motor 32 is driven and the vehicle is driven only by the output.

이러한 EV 모드 주행 상태에서는 릴레이(14)가 온(ON) 및 연료전지(10)의 발전이 중지(공기 공급 중지)된 상태에서 고전압 배터리(20) 출력단에 연결된 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 부스트 제어를 통해 고전압 배터리(20)의 전압을 부스팅하여 메인버스단(11)의 전압을 상승시키고, 이로써 고전압 배터리(20)의 출력만으로 인버터(31)/구동모터(32) 등의 차량 내 부하를 작동시키게 된다.In this EV mode running state, the bidirectional DC / DC converter 21 connected to the output terminal of the high voltage battery 20 in a state in which the relay 14 is turned on and the fuel cell 10 is stopped (air supply stopped) The voltage of the main bus terminal 11 is boosted by boosting the voltage of the high voltage battery 20 through the boost control so that only the output of the high voltage battery 20 is applied to the vehicle load such as the inverter 31 / .

물론, 연료전지 시스템의 아이들 스탑시에 공기의 공급을 중지하였다가 재시동시에는 공기 공급을 재개하게 되며, 재시동 후 연료전지 시스템의 정상 운전 모드 복귀시에는 공기가 정상 공급되는 상태에서 다시 연료전지(10)의 출력을 차량 부하에 따라 추종 제어하게 되고(부하 추종(Load Following) 제어), 또한 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 부스팅 상태를 해제하게 된다.Of course, the supply of air is stopped at the idle stop of the fuel cell system, and the air supply is restarted at the idle stop of the fuel cell system. When returning to the normal operation mode of the fuel cell system after the restart, 10 (load following control), and also releases the boosting state of the bidirectional DC / DC converter 21. In this case,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 동작 기준을 표현한 도면이다.FIG. 2 is a view showing an operation standard of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG.

연료전지 제어기(미도시)가 도 2에 나타낸 바와 같이 차량 상태 체크 과정(좌측)과 연료전지 상태 체크 과정(우측)을 통해 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 아이들 스탑 금지, 재시동 등을 제어하게 된다.The fuel cell controller (not shown) controls the idle stop, idle stop prohibition, restart, and the like of the fuel cell system through the vehicle state check process (left) and the fuel cell state check process (right) as shown in FIG.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 연료전지 제어기는 차량 상태 체크 과정에서 차량 부하와 보조동력원인 고전압 배터리(20)의 SOC(이상 차량 상태 조건이 됨)를 기준으로 연료전지 온(발전) 및 오프(발전 정지) 조건을 판단한다. 또한, 연료전지 제어기는 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지(10)의 비상 운전 조건, 연료전지 스택(10)의 온도, 연료전지 스택(10)의 애노드 압력, 제어기 간 통신상태, 히터 작동 여부(이상 연료전지 상태 조건이 됨) 등을 고려하여 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 스탑 금지, 시동 조건을 판단하게 된다.Referring to FIGS. 1 and 2, the fuel cell controller determines whether the fuel cell is on and off based on the vehicle load and the SOC of the high voltage battery 20, which is an auxiliary power source, (Power generation stop) condition. In addition, the fuel cell controller controls the fuel cell 10 in the process of checking the state of the fuel cell, such as the emergency operation condition of the fuel cell 10, the temperature of the fuel cell stack 10, the anode pressure of the fuel cell stack 10, The condition of the fuel cell is abnormal), and the like, the idle stop and the stop of the fuel cell system are prohibited and the starting condition is judged.

여기서, 차량 상태 체크 과정의 연료전지 오프(OFF) 조건과 연료전지 상태 체크 과정의 아이들 스탑 조건을 동시에 만족해야만 연료전지 아이들 스탑 과정이 진행되며, 차량 상태 체크 과정의 연료전지 온(ON) 조건과 연료전지 상태 체크 과정의 시동 조건 중 어느 하나를 만족할 경우 연료전지 재시동 과정을 진행하게 된다. Here, the fuel cell idle stop process is performed only if the fuel cell OFF condition of the vehicle condition check process and the idle stop condition of the fuel cell condition check process are satisfied at the same time, and the fuel cell ON condition of the vehicle condition check process The fuel cell re-start process is performed when any one of the start conditions of the fuel cell status check process is satisfied.

도 2의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이, 차량 상태 체크 과정에서는 기본적으로 차량 부하가 설정된 기준값보다 큰 고부하 상태(연료전지 요구 출력 Pidle_on 이상)인 경우 연료전지 온(ON) 조건이 된다. 또한 차량 부하가 설정된 기준값보다 작은 저부하 상태(연료전지 요구 출력 Pidle_off 이하)이고 고전압 배터리(20)의SOC가 설정된 상한치(SOChigh) 이상으로 충분히 높을 경우에만 연료전지 오프(OFF) 조건, 즉 아이들 스탑 진입 조건을 만족하는 것으로 판정한다.As shown in the left drawing of FIG. 2, in the vehicle state checking process, the fuel cell is turned on when the vehicle load is in a high load state (the fuel cell required output Pidle_on or more) which is larger than the set reference value. In addition, only when the vehicle load is lower than the set reference value (the fuel cell required output Pidle_off) and the SOC of the high-voltage battery 20 is sufficiently higher than the set upper limit value SOChigh, the fuel cell OFF condition, It is determined that the entry condition is satisfied.

또한 차량 부하는 작으나 고전압 배터리의 SOC가 하한치(SOClow) 이하로 낮을 경우에는 연료전지 온(ON) 조건을 만족하는 것으로 판정하되, 연료전지 온(ON) 시 출력값은 설정치(Pidle_on) 이상을 항상 유지하도록 하여 고전압 배터리(20)를 충전할 수 있도록 한다.If the vehicle load is small but the SOC of the high voltage battery is lower than the lower limit value (SOClow), it is determined that the fuel cell is turned on (ON) condition, but the output value at the time of fuel cell ON is always higher than the set value (Pidle_on) So that the high-voltage battery 20 can be charged.

또한 차량 부하 상태 체크 과정에서 시스템의 응답성을 고려하여 풀(full)가속 또는 일정 수준 이상의 급가속시에는 연료전지 온(ON) 조건을, 회생제동시에는 회생제동의 회수율 증가를 위해 연료전지 오프(OFF) 조건을 만족하는 것이 추가될 수 있다.Also, considering the responsiveness of the system in the process of checking the vehicle load condition, the fuel cell is turned on at the time of full acceleration or a sudden acceleration of a certain level or more, and the fuel cell is turned off to increase the recovery rate of the regenerative braking (OFF) condition may be added.

한편, 연료전지 상태 체크 과정에서는, 도 2의 우측 도면에 예시한 바와 같이, 연료전지의 비상 운전상황, 스택의 온도가 설정온도 미만인 상태, 스택의 애노드 압력이 설정압력 미만인 상태, 공기블로워의 제어기 통신 불가 상태, 또는 히터 작동 상황인 경우 연료전지의 발전을 계속 유지해야 하는 조건(아이들 스탑 금지 조건, 시동 조건)(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0')으로 판정하게 되고, 이 상황이 아니라면 연료전지 시스템의 아이들 스탑이 가능한 조건(아이들 스탑 조건)('연료전지 상태 OK=1')으로 판정하게 된다.On the other hand, in the process of checking the state of the fuel cell, as shown in the right diagram of Fig. 2, the emergency operation state of the fuel cell, the state in which the temperature of the stack is lower than the set temperature, the state in which the anode pressure of the stack is lower than the set pressure, (The idle stop prohibition condition and the starting condition) (the 'fuel cell state OK = 0' in FIG. 2) in the case where the communication is impossible or the heater is in operation, Otherwise, it is determined that the idle stop of the fuel cell system is possible (idle stop condition) ('fuel cell state OK = 1').

이러한 차량 상태 체크 과정 및 연료전지 상태 체크 과정에서 도 2에 도시된 바와 같이 '연료전지 OFF 및 연료전지 상태 OK=1'인 경우, 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입이 이루어지며, 어느 한 조건을 만족하지 못하는 경우에는 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입은 금지된다. 예컨대, 차량 상태 조건, 즉 차량 부하 및 SOC 조건이 연료전지 오프 조건을 만족하더라도 연료전지 상태 체크 과정에서 아이들 스탑 금지 조건('연료전지 상태 OK=0'인 조건)으로 판정되면 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입이 금지된다. 또한 도 2에 도시된 바와 같이 '연료전지 ON 또는 연료전지 상태 OK=0'인 조건에서는 아이들 스탑이 금지(정상운전 상태인 경우)되거나 연료전지를 재시동(아이들 상태인 경우)시키는데, 예컨대 연료전지 시스템의 아이들 스탑 상태에서 차량 상태 조건(차량 부하 및 SOC 조건)이 스택 온 조건을 만족하지 않더라도(즉, '연료전지 OFF'인 조건) 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지의 발전을 재개해야할 조건(시동 조건)('연료전지 상태 OK=0'인 조건)이 되면 연료전지를 재시동시키게 된다.As shown in FIG. 2, when the fuel cell is turned off and the fuel cell is in the OK state = 1, the idle stop of the fuel cell system is entered and any condition is satisfied Failure to enter the idle stop of the fuel cell system is prohibited. For example, even if the vehicle state condition, that is, the vehicle load and the SOC condition satisfy the fuel cell off condition, if the idle stop prohibition condition ('fuel cell state OK = 0' Stop entering is prohibited. Also, as shown in FIG. 2, the idle stop is prohibited (when the fuel cell is on) or the fuel cell is restarted (when the fuel cell is in the idle state) The conditions under which the fuel cell should be restarted in the fuel cell status check process even if the vehicle condition (vehicle load and SOC condition) does not satisfy the stack-on condition (i.e., the condition that the fuel cell is OFF) Start condition) ('fuel cell state OK = 0'), the fuel cell is restarted.

연료전지 시스템에서 저출력 구간의 효율은 상시 보기류 파워로 인해 매우 낮으며, 이 영역의 회피 운전을 위해서는 효율이 나빠지는 시점인 출력 Pidle을 부하 판단 조건으로 설정하고, Pidle에 해당하는 전압인 Vidle 또는 그 근처의 전압값(도 4에서 V①)을 양방향 전력변환장치의 전압 제어 상한치로 설정하여, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 제어되는 전압을 설정된 전압 제어 상한치로 제한하는 바, 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한된다.In the fuel cell system, the efficiency of the low output section is very low due to the constant current power. In order to avoid the operation of the fuel cell system, the output Pidle, which is the time when the efficiency becomes worse, is set as the load judgment condition. DC converter 21 in the steady operation mode of the fuel cell system to the set voltage control upper limit value by setting the voltage value (V? In FIG. 4) near the voltage control upper limit value of the bidirectional power converter As a result, the use of the low output section of the fuel cell is limited.

이와 같이 본 발명에서는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어 상한치를 설정하여, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드, 즉 연료전지의 부하 추종 운전 제어가 이루어지는 상태에서 전압 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 전압 상한치로 제한하고, 이를 통해 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압이 전압 제어 상한치로 제한되는 동안 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한되도록 한다. 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상한치 제한을 두게 되면 연료전지 출력은 일정 수준 이상을 유지하게 되고, 연료전지의 저출력 구간 사용이 제한된다.As described above, in the present invention, the upper limit of the voltage control of the bidirectional DC / DC converter 21 is set so that the voltage-controlled bidirectional DC / DC converter 21 to the upper voltage limit, thereby limiting the use of the low output period of the fuel cell while limiting the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 to the voltage control upper limit. When the upper limit of the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is set, the fuel cell output is maintained at a certain level or more, and the use of the fuel cell in the low output period is restricted.

그러나, 연료전지 시스템의 출력을 항상 Pidle 이상으로 유지하게 되면 저출력 구간에서의 배터리 과다 충전, 회생제동량 제한 등의 문제가 있게 되므로, 전술한 바와 같이 차량 상태 조건에서 회생제동시나 저출력 및 고 SOC조건(도 2의 '연료전지 OFF' 조건)에서는 연료전지를 오프(아이들 스탑)시켜 저효율 구간을 회피한다.However, if the output of the fuel cell system is always maintained at more than the pidle, there will be problems such as overcharge of the battery and restriction of the regenerative braking amount in the low output period. As described above, when the regenerative braking, (The 'fuel cell OFF' condition in FIG. 2), the fuel cell is turned off (idle) to avoid the low efficiency section.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정을 설명하는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 아이들 스탑 및 재시동 과정의 구현예를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 4를 참조하면, 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에서는 연료전지의 출력이 부하에 따라 제어되는 부하 추종 운전 제어가 이루어지고, 이러한 연료전지의 출력 제어는 제어기가 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 메인버스단 출력 전압(이하, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압으로 약칭함)을 제어함으로써 수행된다. FIG. 3 is a view for explaining an idle stop and a restarting process of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a view showing an embodiment of an idle stop and a restarting process of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Fig. 3 to 4, in the steady operation mode of the fuel cell system, a load following operation control is performed in which the output of the fuel cell is controlled in accordance with the load, and the output control of the fuel cell is performed by a bidirectional DC / DC converter (Hereinafter, abbreviated as the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21) of the main bus terminal 21 of the main bus.

특히, 본 발명에서는 연료전지 시스템의 정상 운전 모드에 대한 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어 상한치(도 4에서 V①)가 설정되는 바, 운전 중 부하에 따라 제어되는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압이 설정된 전압 제어 상한치로 제한되면서, 연료전지의 저출력 구간 사용이 금지된다.In particular, in the present invention, the upper limit of the voltage control (V? In FIG. 4) of the bidirectional DC / DC converter 21 for the steady operation mode of the fuel cell system is set and the bidirectional DC / DC converter 21 is limited to the set voltage control upper limit value, the use of the fuel cell in the low output period is prohibited.

이와 같이 정상 운전 모드에서 연료전지의 부하 추종 운전 중 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어시에 미리 설정된 제어 상한치로 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 제한해줌으로써 연료전지의 출력이 일정 수준 이상 유지되도록 한다.By limiting the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 to a preset control upper limit value during the voltage control of the bidirectional DC / DC converter 21 during the load following operation of the fuel cell in the normal operation mode, Keep it above a certain level.

이어 도 2에서 설명한 차량 상태 체크 과정에서 차량 상태 조건, 즉 차량 부하 및 고전압 배터리의 SOC가 연료전지 오프 조건을 만족하면, 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 상태가 연료전지 시스템의 아이들 스탑이 가능한 조건인지를 판정하게 된다.2, when the vehicle state condition, that is, the SOC of the vehicle load and the high-voltage battery satisfies the fuel cell off condition, the fuel cell state is checked under the condition that the idle stop of the fuel cell system is possible .

여기서, 차량 상태 조건이 연료전지 오프 조건을 만족하더라도 연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 시스템의 아이들 스탑 금지 조건에 해당하는 경우라면(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0'인 조건), 연료전지 시스템의 아이들 스탑을 금지하여 연료전지를 운전 상태로 유지하되, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정된 전압 제어 상한치(V①)로 제한하는 전압 상한 제어를 해제하고, 연료전지를 저출력 구간에서도 사용할 수 있도록 한다.In this case, even if the vehicle condition satisfies the fuel cell off condition, if the condition for prohibiting the idle stop of the fuel cell system in the process of checking the fuel cell condition (the condition of 'fuel cell condition OK = 0' in FIG. 2) The voltage upper limit control for limiting the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 to the set voltage control upper limit value (V?) Is canceled and the fuel cell is maintained in the low output period So that it can be used.

연료전지(10)의 저출력 구간이면서 고전압 배터리(20)의 SOC가 높은 상태이고 더불어 연료전지(10)를 오프시킬 수 없는 상황(아이들 스탑 진입 금지 상태)일 때, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상한 제어를 통해 연료전지(10)의 출력을 일정 수준으로 계속 유지할 경우 고전압 배터리(20)가 과도하게 충전될 수 있기 때문이다.Way DC / DC converter 21 when the SOC of the high voltage battery 20 is high and the fuel cell 10 can not be turned off (idle stop entry prohibited state) while the fuel cell 10 is in the low output period. Because the high voltage battery 20 can be overcharged if the output of the fuel cell 10 is continuously maintained at a certain level through the voltage upper limit control of the high voltage battery 20.

연료전지 상태 체크 과정에서 연료전지 시스템의 아이들 스탑 조건으로 판정되는 경우에는 연료전지 시스템의 아이들 스탑 과정이 진행된다. 즉, 먼저 연료전지(10)로의 공기 공급을 중단(공기블로워 등 공기공급장치를 오프)하여 연료전지 전압을 메인버스단 전압보다 낮아지도록 하고, 이를 통해 자연적으로 메인버스단으로의 연료전지 출력(전류 출력)이 이루어지지 않도록 한다(도 4의 공기 공급 중단 후 연료전지 전류 참조).If it is determined that the fuel cell system is in an idle stop condition in the fuel cell state check process, the idle stop process of the fuel cell system proceeds. That is, first, the air supply to the fuel cell 10 is stopped (the air supply device such as an air blower is turned off) so that the fuel cell voltage becomes lower than the main bus voltage, Current output) is not made (see fuel cell current after interruption of air supply in FIG. 4).

이어 공기 공급을 중단한 상태에서 소정 시간 후(또는 유량계를 통해 공기 공급량이 없음을 확인한 후)에는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값(도 4에서 V②)으로 하강시켜 연료전지(10)의 캐소드 내 산소 소진이 이루어지도록 하는 바, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값으로 하강시켜 유지하게 되면, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 출력측이 되는 메인 버스단의 전압이 낮아지므로 캐소드 내 산소가 소진되는 동안 메인 버스단으로 연료전지의 전류가 다시 출력되고, 이때의 연료전지 출력으로 고전압 배터리(20)를 강제 충전하게 된다.The voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is lowered to a set value (V? In FIG. 4) after a predetermined time (or after confirming the absence of the air supply amount through the flow meter) DC converter 21 is lowered to a set value and maintained, the voltage of the main bus terminal, which is the output side of the bidirectional DC / DC converter 21, The current of the fuel cell is output again to the main bus terminal while the oxygen in the cathode is exhausted, and the high-voltage battery 20 is forcibly charged to the fuel cell output at this time.

즉, 연료전지(10)의 전압이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압(메인버스단 전압) 아래로 내려가기 전까지는 캐소드 내 산소 소진시 발생하는 연료전지(10)의 출력 전류에 의해 고전압 배터리(20)를 충전하는 것이며, 고전압 배터리(20)의 강제 충전으로 연료전지(10)의 캐소드 내에 남아 있는 잔존 산소가 일정 수준으로 제거될 수 있는 것이다.That is, until the voltage of the fuel cell 10 falls below the voltage (main bus voltage) of the bidirectional DC / DC converter 21, the output current of the fuel cell 10, The remaining oxygen remaining in the cathode of the fuel cell 10 can be removed to a certain level by the forced charging of the high voltage battery 20. [

또한 캐소드 내 산소 소진으로 연료전지(10)의 전압이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압보다 낮아지면 고전압 배터리(20)의 충전은 종료되지만 애노드 내 수소가 전해질막을 통해 캐소드로 계속해서 크로스오버(Crossover)되면서 캐소드의 산소가 점차 소진되는 바, 이에 연료전지(10)의 전압이 완전히 제거되면 아이들 스탑 진입이 완료된다(연료전지 전압이 완전히 제거됨).When the voltage of the fuel cell 10 becomes lower than the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 due to the oxygen exhaustion in the cathode, the charging of the high-voltage battery 20 is terminated, but the hydrogen in the anode is continuously supplied to the cathode through the electrolyte membrane The oxygen in the cathode is gradually exhausted while the voltage of the fuel cell 10 is completely removed. Thus, the entry of the idle stop is completed (the fuel cell voltage is completely removed).

따라서, 공기 공급 중단 후 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값(V②)으로 낮추어주는 전압 제어를 통해 캐소드 내 산소 소진시 발생하는 연료전지(10)의 출력을 고전압 배터리(20) 충전에 사용할 수 있고, 이와 더불어 연료전지(10)의 전압도 낮출 수 있게 되면서 스택 내구와 연비 측면에서 유리한 효과를 동시에 얻을 수 있다.Therefore, the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is lowered to the set value V (2) after the supply of air is stopped, so that the output of the fuel cell 10, which occurs when the oxygen in the cathode is exhausted, In addition, the voltage of the fuel cell 10 can be lowered, and the advantageous effect in terms of the endurance of the stack and the fuel economy can be obtained at the same time.

연료전지(10)의 캐소드 내 산소 소진 동안 고전압 배터리(20)의 강제 충전 후 연료전지 전압이 메인버스단 전압, 즉 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압보다 다시 낮아지면, 연료전지(10)로부터는 전류 출력이 이루어지지 않으므로 고전압 배터When the fuel cell voltage becomes lower than the main bus voltage, that is, the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21, after the forced charging of the high voltage battery 20 during the oxygen exhaustion in the cathode of the fuel cell 10, Since the current output is not performed from the high voltage battery

리의 출력만으로 구동모터를 구동시키는 EV 모드 주행이 이루어진다. 도 4를 참조하면, 공기 공급 중단이 개시되기 전 구간에서 양방향 DC/DC 컨버터(21) 및 연료전지 전압이 전압 제어 상한치(V①)로 제한되고 있음을 볼 수 있으며, 이때 연료전지 전류는 전압 상한 제어로 인해 일정 수준을 유지하고 있음을 볼 수 있다.The EV mode driving is performed in which the driving motor is driven only by the output of the motor. Referring to FIG. 4, it can be seen that the bidirectional DC / DC converter 21 and the fuel cell voltage are limited to the voltage control upper limit (V①) in the interval before the air supply interruption is started, It can be seen that the control is maintaining a certain level.

또한 공기 공급이 중단되고 난 뒤 연료전지가 재시동될 때까지 배터리 전류를 MCU(Motor Control Unit)를 통해 인버터에 공급하여 EV 모드 주행이 이루어짐을 볼 수 있다. 이때, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어를 통해 메인 버스단 전압을 설정값(V②)(일정값 또는 가변값이 될 수 있음)으로 유지하는 EV 모드 주행이 이루어지게 된다.Also, after the air supply is stopped, the battery current is supplied to the inverter through the MCU (Motor Control Unit) until the fuel cell is restarted. At this time, the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is controlled so as to maintain the main bus voltage at the set value V? (Which may be a constant value or a variable value).

공기 공급 중단 후 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 하강시키는 설정값(V②)의 설정은 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 효율과 구동모터(32)의 효율 측면에서 최적화가 필요하다. 구동모터(32)의 효율 측면에서는 설정값(V②)을 높게 설정하는 것이 유리하나, 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 효율 측면에서는 설정값(V②)을 낮게 설정하여 EV 모드로 주행되도록 하는 것이 더 나을 수 있는 바, 적절한 설정값(V②)을 설정하는 것이 필요하다.The setting of the setting value V2 for lowering the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 after the stop of the air supply needs to be optimized in terms of the efficiency of the bidirectional DC / DC converter 21 and the efficiency of the drive motor 32. [ It is advantageous to set the set value V? In the efficiency side of the drive motor 32. However, in terms of efficiency of the bidirectional DC / DC converter 21, the set value V? It is necessary to set an appropriate set value (2) as it is better.

EV 모드로 주행하는 동안 전술한 바와 같이 차량 상태 조건이 연료전지 온(ON) 조건이거나 연료전지 상태 조건이 시동 조건(도 2에서 '연료전지 상태 OK=0'인 조건)이면, 연료전지 시스템을 재시동시키게 된다. 이때, 먼저 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 설정값(도 5에서 V③)으로 상승시켜 유지하여 메인 버스단으로 연료전지의 출력이 과도하게 이루어지는 것을 막는다.If the vehicle state condition is the fuel cell ON condition or the fuel cell condition condition is the start condition (the condition that the fuel cell state is OK = 0 in FIG. 2) during the traveling in the EV mode, And restarts. At this time, the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is first raised to a set value (V? In FIG. 5) to prevent the output of the fuel cell from being excessively output to the main bus terminal.

만약, 차량 부하 조건을 만족하지 못했지만(차량 부하가 기준값을 만족시키지 못한 저부하 상태, 즉 연료전지 요구 출력 Pidle_on 미만) 연료전지 이상으로 재시동시키는 경우에는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값을 OCV(Open Circuit Voltage) 근처, 즉 OCV 미만의 최대설정치까지 올려서 유지시킨다.If the vehicle load condition is not satisfied but the vehicle load is less than the fuel cell required output Pidle_on (i.e., a low load state in which the vehicle load does not satisfy the reference value), the fuel cell is restarted. Value to a maximum set value near OCV (Open Circuit Voltage), i.e., less than OCV.

아이들 스탑시와 마찬가지로 차량 부하가 기준값 미만으로 작고 고전압 배터리(20)의 SOC도 높은 상황에서 재시동 전압값, 즉 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 설정값(V③)을 도 2의 Vidle 근처로 유지하면, 연료전지(10)의 출력이 고전압 배터리(20)를 과도하게 충전하게 되기 때문이다.In the situation where the vehicle load is smaller than the reference value and the SOC of the high voltage battery 20 is high as well as the idle stop, the restarting voltage value, i.e., the voltage rising setting value V? Of the bidirectional DC / DC converter 21, The output of the fuel cell 10 will over-charge the high-voltage battery 20.

이어 메인 버스단 전압이 전압계 등을 통해 설정값(V③)으로 유지되는지를 확인한 후에는 공기 공급을 개시하여 연료전지(10)의 발전을 재개하는데, 공기 공급 시작 시점에서 공기블로워의 회전수를 상승시켜 연료전지(10)의 전압이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값(V③)까지 상승되도록 한다. 이때, 공기 공급을 통해 연료전지(10)의 전압을 상승시키면서 동시에 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값(V③)에 해당되는 일정 출력을 연료전지(10)가 낼 수 있도록 한다.After confirming that the main bus voltage is maintained at the set value (V3) through a voltmeter or the like, the air supply is started to restart the power generation of the fuel cell 10, and the rotation speed of the air blower is increased So that the voltage of the fuel cell 10 is raised to the voltage rising hold value V? Of the bi-directional DC / DC converter 21. [ At this time, the voltage of the fuel cell 10 is raised through the air supply, and at the same time, the fuel cell 10 can output a constant output corresponding to the voltage increase holding value V? Of the bidirectional DC / DC converter 21.

또한 재시동 과정의 공기 공급 재개시 연료전지 전압을 신속히 상승시키기 위해 필요 전류량만큼의 요구 공기량에 설정량(α)의 공기가 더 공급되도록 공기블로워를 구동시키며, 이에 연료전지에 '요구 공기랑 + 설정량(α)'의 공기가 공급되게 된다.Further, the air blower is driven so that the set air amount is further supplied to the required air amount as much as the necessary current amount in order to rapidly raise the fuel cell voltage in the restart of the air supply in the restarting process, The air of the amount (?) 'Is supplied.

이후 연료전지 상태를 계속 모니터링하여 최소 셀전압, 셀전압 편차, 공기 유량 등이 안정화되면 재시동 과정을 종료하고, 양방향 DC/DC 컨버터(21) 전압의 설정값 유지를 해제한다.Thereafter, when the minimum cell voltage, the cell voltage deviation, the air flow rate, etc. are stabilized, the restarting process is terminated and the maintenance of the set value of the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is canceled.

이후 정상 운전 모드에서는 다시 연료전지(10)의 정상적인 부하 추종 운전이 이루어지며, 이때 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 전술한 바와 같이 제어 상한치(V①)로 제한하여, 연료전지(10)가 저출력 구간에서 사용되지 않도록 하면서 일정 출력 이상을 유지할 수 있도록 한다.In the normal operation mode, the normal load following operation of the fuel cell 10 is performed again. At this time, the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is limited to the upper control limit V? So that it can be maintained at a predetermined output or higher while not being used in the low output period.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 아이들 스탑 과정과 재시동 과정에서는 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어와 공기 공급 제어를 통해 효과적으로 연료전지(10)의 저출력 회피 운전이 이루어짐을 볼 수 있다(OCV와 V① 사이의 전압이 형성되지 않는 것을 볼 수 있음). 전압 설정값인 V① 및 V③ 전압은 Pidle 근처의 전압으로 설정하되, 히스테리시스(Hystersis)를 감안하여 V①은 Pidle_off에 해당되는 전압으로, V③는 Pidle_on에 해당되는 전압으로 설정하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 4, in the idle stop process and the restart process according to the present invention, it is seen that the low-power avoiding operation of the fuel cell 10 is effectively performed through the voltage control of the bidirectional DC / DC converter 21 and the air supply control (It can be seen that no voltage is formed between OCV and V①). The voltage setting values V① and V③ are set to a voltage near the pidle, and in consideration of hysteresis, it is preferable that V① is a voltage corresponding to Pidle_off and V③ is a voltage corresponding to Pidle_on.

또한 재시동 과정에서 공기 공급 재개시에 요구 공기량 명령은 연료전지 필요 전류량으로부터 계산되는데, 필요 전류량보다 설정량(α)만큼 더 불어주어 연료전지의 전압 안정성이 빨리 회복될 수 있도록 한다. 더불어 연료전지 시스템의 아이들 스탑 중 EV 모드 주행시 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 제어값인 V②는 전술한 바와 같이 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 효율, 구동모터(32)의 효율 등을 고려하여 적정한 값으로 설정하며, EV 모드 주행시 셀전압 편차, 공기 유량 등과 관련된 진단 로직은 중지시켜 진단 로직으로 인한 연료전지 시스템 및 차량의 셧다운을 막는다.Also, the demand air amount command at the time of restarting the air supply in the restarting process is calculated from the amount of fuel cell required current, which is set to be larger than the required current amount by a predetermined amount (alpha) so that the voltage stability of the fuel cell can be restored quickly. In addition, the voltage control value V? Of the bidirectional DC / DC converter 21 during the EV mode operation of the idle stop of the fuel cell system is determined by the efficiency of the bidirectional DC / DC converter 21, the efficiency of the drive motor 32, And stops the diagnosis logic related to the cell voltage deviation, the air flow rate, and the like during EV mode driving, thereby preventing the shutdown of the fuel cell system and the vehicle due to the diagnosis logic.

도 4에서 연료전지(10)의 재시동 과정에서는 연료전지 단의 릴레이(도 1에서 도면부호 14임)를 미리 온(ON) 시켜 놓은 상태에서 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압을 일정 수준으로 상승 유지하고, 공기 공급을 통해 연료전지(10)의 전압을 상승시키면서 양방향 DC/DC 컨버터(21)의 전압 상승 유지값에 해당되는 일정 출력을 연료전지(10)가 동시에 낼 수 있도록 하여 재시동을 완료하게 된다. 정상 시동시 시퀀스를 그대로 사용해도 무방하다.4, the voltage of the bidirectional DC / DC converter 21 is maintained at a constant level (in the state where the relay of the fuel cell stage (indicated by reference numeral 14 in FIG. 1)) is turned on in the process of restarting the fuel cell 10 So that the fuel cell 10 can simultaneously output a constant output corresponding to the voltage increase holding value of the bidirectional DC / DC converter 21 while raising the voltage of the fuel cell 10 through the air supply, . The sequence may be used as it is during normal start-up.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 이용하는 진단 레벨별 상태 감지 방법과 상태 발생 원인을 도시한 표이다.FIG. 5 is a table showing a state detection method for each diagnostic level used in the operation control method of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention and a cause of state occurrence.

도 5를 참조하면, 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택 내부의 물부족 상태의 수준 즉, 진단 레벨을 Flt Lvl로 표현하였다. 공기 과급 상태 또는 열화 상태 등에 기반하여 물부족 상태가 심각한 정도에 따라 3개의 진단 레벨(Lvl)로 분류하였다.Referring to FIG. 5, the level of the air supercharge state in the fuel cell stack or the level of the water shortage state inside the fuel cell stack, that is, the diagnostic level, is expressed by Flt Lvl. The water shortage status was classified into three diagnostic levels (Lvl) according to severity based on air superheat or deteriorated condition.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 3개의 진단 레벨은 공기 과급 상태 또는 물부족 상태의 정도에 따라 분류된 것이다. 3개의 진단 레벨을 제1 상태에 따른 진단 레벨, 제2 상태에 따른 진단 레벨 및 제3 상태에 따른 진단 레벨이라고 하면, 먼저 제1 상태의 원인은 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템을 구성하는 컴포넌트들의 고장일 수 있다. 또한, 제2 상태의 원인은 이러한 연료전지 시스템 및 연료전지 시스템을 구성하는 컴포넌트들의 고장을 감지하지 못하는 것, 운전자의 패턴, 및 환경적인 요소일 수 있다. 또한, 제3 상태의 원인은 이미 연료전지 스택의 열화가 진행되어 연료전지의 물부족 상태가 발생한 것일 수 있다. That is, according to one embodiment of the present invention, the three diagnostic levels are classified according to the degree of air supercharge or water shortage. If the three diagnostic levels are a diagnosis level according to the first state, a diagnosis level according to the second state, and a diagnosis level according to the third state, then the cause of the first state is the cause of the fuel cell system and the components of the fuel cell system It can be malfunctioning. In addition, the cause of the second state may be failure to detect such failures of the components constituting the fuel cell system and the fuel cell system, the pattern of the driver, and environmental factors. The cause of the third state may be that the deterioration of the fuel cell stack has already progressed and a water shortage state of the fuel cell has occurred.

즉, 연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 열화 상태에 기반하여 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는데, 연료전지 시스템의 고장에 기인하여 연료전지 스택으로의 요구 공기량보다 더 많은 공기가 연료전지 스택으로 공급되는 (공기 과급)상태가 제1 상태이며, 연료전지 시스템이 정상 동작 중임에도 연료전지 스택으로 공기가 과급되거나, 드라이 아웃(물부족)이 발생되는 상태가 제2 상태이고, 연료전지 스택의 열화가 진행되고 있는 상태가 제3 상태이다.That is, the water shortage state inside the fuel cell stack is determined based on the supercharged state or the deteriorated state of the fuel cell stack, so that more air than the required air amount to the fuel cell stack due to the failure of the fuel cell system, A state in which air is supercharged to the fuel cell stack or dry out (water shortage) occurs is a second state even when the fuel cell system is operating normally, The state in which the deterioration of the stack is proceeding is the third state.

구체적으로, 진단 레벨(Flt Lvl)이 높을수록 이미 스택 열화가 진행된 상태를 의미하며, 진단 레벨이 낮을수록 물부족은 발생하지 않았지만 발생한 가능성이 있는 낮은 수준의 상태를 의미한다. 진단 레벨이 높아질수록 심각도의 정도가 높으며 회복 운전을 강화하는 등(회복 운전의 개수와 수준의 증가) 전략이 요구되는 것이다.Specifically, the higher the diagnostic level (Flt Lvl), the more the stack degradation progresses. The lower the diagnostic level, the lower the level of the possibility that the water shortage did not occur. The higher the diagnostic level, the higher the degree of severity and the more effective the recovery operation (the number and level of recovery operations).

제1 상태는 연료전지 시스템(특히 공기 공급 시스템)의 정상적인 운전이 불가하여, 공기가 필요량보다 과급되는 상황이다. 저출력에서도 연료전지 발전 정지가 불가한 상황이 해당되며, 이때 저출력에서도 기본 공급 공기 유량에 의해 공기 과급 상황이 발생할 수 있다. 기본 공급 공기 유량은 아이들 스탑이 아닌 조건에서 부하 조건에 관계없이 최소로 공급되어야 하는 최소 공기 공급 유량을 말한다. FC Only 모드, 공기 블로워의 홀센서 또는 전류 센서 중 하나 이상의 고장에 기인한 공기 블로워 비상상황에서의 고정 Rpm 비상운전, 고전압 배터리(20)의 출력 부족, 저온 상태의 연료전지 등의 상황으로 제1 상태를 판단할 수 있다. The first condition is that the normal operation of the fuel cell system (especially the air supply system) is impossible and the air is overcharged than the required amount. Even at low output, it is impossible to stop the fuel cell power generation. At this time, the air supply situation may occur due to the basic supply air flow even at low output. The basic supply air flow rate refers to the minimum air supply flow rate that must be supplied at the minimum, regardless of the load condition, in idle stop conditions. Air blower due to failure of at least one of the FC Only mode, the hole sensor of the air blower, or the current sensor. In a situation such as a fixed rpm emergency operation in an emergency, a low output of the high voltage battery 20, The state can be judged.

예컨대, 공기 블로워 비상 운전시 고정 회전 수 운전으로 요구 공기량보다 더 많은 공기가 과급되는 상태 또는 공기 블로워 회생 제동 불가 상황(배터리 SOC 과다, 공기 블로워 제어 불량)에서는 감속 구간에서 관성 유량에 기인하여 공기가 과급되는 상태 등일 수 있다.For example, in a state in which air is overcharged by a fixed number of revolutions during an air blower emergency operation, or air blower regenerative braking is not possible (battery SOC overflow, air blower control failure) A supercharged state, and the like.

제2 상태는 연료전지 시스템 및 공기 블로워 등의 연료전지 시스템을 구성하는 컴포넌트들의 고장을 인지할 수 없는 상태이다. 예컨대, 연료전지 시스템이 비정상인데 이를 진단하지 못하는 경우, 연료전지 시스템은 정상이나 계속적인 급가속/감속 운전과 같은 특정 운전 패턴의 경우, 강판 운전시 또는 외풍이 강한 상황에서의 램 에어가 유입되는 경우를 원인으로 공기 과급이 발생될 수 있다. 이러한 제2 상태를 판단하기 위해서는 연료전지 스택에서 생성된 전류가 소모되는 량인 소모 전류에 대한 공기 과급량 정도를 실시간으로 계산할 수 있고, 캐소드 측의 습도 추정 모델을 통하여 연료전지 스택 내부에 잔존하는 물의 양을 간접적으로 추정할 수 있다. The second state is such that the failure of components constituting the fuel cell system, such as the fuel cell system and the air blower, can not be recognized. For example, when the fuel cell system is abnormal and can not diagnose the abnormality, the fuel cell system may be operated in the case of a specific operation pattern such as normal or continuous rapid acceleration / deceleration operation, In some cases, air overcharging may occur. In order to determine the second state, it is possible to calculate in real time the degree of air supercharge with respect to the consumed current, which is the amount consumed by the current generated in the fuel cell stack, and to calculate the amount of water remaining in the fuel cell stack The amount can be indirectly estimated.

소모 전류에 대한 공기 과급량 정도를 계산하는 첫번째 방법은, 공기 공급량과 전류 소모에 필요한 공기량의 차이를 공기 과급량으로 정의하고, 공기 과급량과 기준 공기 과급량 및 운전 온도 가중치에 기반하여 공기 과급량 편차를 구하여 시간 적분하는 것이다. 공기 과급량 편차의 시간에 대한 적분치가 제1 기준값 이상인 경우 제2 상태에 해당한다고 판단될 수 있다.The first method for calculating the degree of air supercharging with respect to the consumed current is to define the difference between the air supply amount and the air amount required for current consumption as the air supercharge amount and calculate the air supercharge amount based on the air supercharge amount and the reference air supercharge amount and the operation temperature weight And the time integral is obtained. When the integral value with respect to the time of the air charge amount deviation is equal to or greater than the first reference value, it can be determined that the second state corresponds to the integrated value.

소모 전류에 대한 공기 과급량 정도를 계산하는 두번째 방법은, 공기 공급량과 전류 소모에 필요한 공기량의 비율을 공기 과급 비율로 정의하고, 공기 과급 비율과 기준 공기 과급 비율 및 운전 온도 가중치에 기반하여 공기 과급 비율 편차를 시간 적분하는 것이다. 공기 과급 비율 편차의 시간에 대한 적분치가 제1 기준값 이상인 경우 제2 상태에 해당한다고 판단될 수 있다.The second method for calculating the degree of air supercharge for current consumption is to define the ratio of air supply to the amount of air required for current consumption as the air supercharging rate and to calculate the air supercharging rate based on the air supercharging ratio and the reference air supercharging ratio and the operation temperature weight The rate deviation is time integral. And when the integral value with respect to the time of the air charge ratio deviation is equal to or greater than the first reference value, it can be determined that the second state corresponds to the second state.

연료전지 스택의 잔존 수량을 예측하는 방법은 도 6에 도시되어 있다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법에서 상대 습도 추정 모델을 간략히 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 연료전지 스택의 캐소드 출구의 상대 습도를 예측하기 위하여 스택 입구의 수증기 유량, 생성수의 양, 스택 내부 캐소드와 애노드 간 물 이동량을 고려하고, 연료전지 스택의 캐소드 측 물 변화량이 없다고 가정한다.A method of predicting the remaining quantity of the fuel cell stack is shown in Fig. 6 is a view schematically showing a relative humidity estimation model in the operation control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. 6, in order to predict the relative humidity of the cathode outlet of the fuel cell stack, considering the steam flow rate at the inlet of the stack, the amount of generated water, the amount of movement of the cathode inside the stack and the amount of water moved between the anode, .

구체적으로 캐소드 측 상대 습도를 추정하기 위해 요구되는 입력값은 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 공기 온도, 연료전지 스택의 입구 공기 유량 및 연료전지 스택의 생성 전류량이다. 연료전지 스택 입구 공기 전체 압력은 연료전지 스택의 캐소드 측 입구 공기 유량의 함수이며, 연료전지 스택의 캐소드 측 출구 공기 전체 압력 또한 연료전지 스택 입구 공기 유량의 함수이다. 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 포화수증기압은 연료전지 스택의 캐소드 측 입구 및 출구 공기 온도의 함수이다.Specifically, the input values required for estimating the cathode side relative humidity are the air temperature at the cathode side inlet and the outlet of the fuel cell stack, the inlet air flow rate of the fuel cell stack, and the generated current amount of the fuel cell stack. The overall air pressure of the fuel cell stack inlet is a function of the cathode side inlet air flow rate of the fuel cell stack and the cathode side outlet air total pressure of the fuel cell stack is also a function of the fuel cell stack inlet air flow rate. The saturated water vapor pressure at the cathode side inlet and outlet of the fuel cell stack is a function of the cathode side inlet and outlet air temperature of the fuel cell stack.

연료전지 스택의 잔존 수량을 예측하기 위해서, 먼저 캐소드 출구의 상대 습도가 추정치일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량을 계산한다. 구체적으로 연료전지 스택 출구 수증기 유량은 연료전지 스택 출구 건공기 유량(연료전지 스택 입구 공기 유량 - 반응 산소량), 0.622(수증기 1몰 질량을 건공기 1몰 질량으로 나눈값), 및 연료전지 스택의 캐소드 측 출구의 수증기압이 연료전지 스택 출구 공기 전체 압력에서 캐소드 측 출구의 수증기 압력을 뺀 양에서 차지하는 비율을 곱한 것이다.To estimate the remaining quantity of the fuel cell stack, first calculate the fuel cell stack outlet water vapor flow rate when the relative humidity of the cathode outlet is an estimate. Specifically, the water vapor flow rate at the outlet of the fuel cell stack corresponds to the flow rate of the fuel cell stack outlet air (fuel cell stack inlet air flow rate-reacted oxygen amount), 0.622 (1 mole of water vapor divided by 1 mole of dry air mass) And the water vapor pressure at the cathode side outlet is multiplied by the ratio of the total pressure of the fuel cell stack outlet air to the amount obtained by subtracting the water vapor pressure at the cathode side outlet.

다음으로 캐소드 출구의 상대 습도가 100%일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량을 계산한다. 구체적인 계산 방법은 캐소드 출구의 상대 습도가 추정치일때와 동일하다.Next, the fuel cell stack outlet water vapor flow rate when the relative humidity at the cathode outlet is 100% is calculated. The specific calculation method is the same as when the relative humidity at the cathode outlet is an estimate.

캐소드 출구의 상대 습도가 100%일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량에서 캐소드 출구의 상대 습도가 추정치일 때의 연료전지 스택 출구 수증기 유량을 빼고, 이를 시간에 대해 적분하면 캐소드 내의 잔존 수량을 예측할 수 있다. Subtracting the fuel cell stack outlet water vapor flow rate when the relative humidity at the cathode outlet is an estimate at the fuel cell stack outlet water vapor flow rate when the relative humidity at the cathode outlet is 100% and integrating it with respect to time, have.

이러한 방법을 통하여 제2 상태임을 판단할 수 있다.Through this method, it can be judged that the state is the second state.

제3 상태는 이미 연료전지 스택의 물부족이 발생된 상태로서 전류 전압 곡선의 기울기와 처짐량, 임피던스 측정, CI(Current Interrupt, 전류차단법)를 통한 멤브레인 저항 측정 등으로 열화 상태를 판단함으로써 알 수 있다. The third state can be determined by judging the deterioration state by measuring the slope and deflection of the current-voltage curve, measuring the impedance, measuring the resistance of the membrane through the current interruption (CI) .

제1 상태라고 판단되면 제1 상태를 복수의 진단 레벨 중 제1 진단 레벨로 분류하며, 제2 상태라고 판단되면, 제2 상태를 복수의 진단 레벨 중 제2 진단 레벨로 분류하고, 제3 상태라고 판단되면, 제3 상태를 복수의 진단 레벨 중 제3 진단 레벨로 분류할 수 있다. 즉, 판단된 상태의 정도에 따라서 복수의 진단 레벨로 분류하되, 일 예로서 도 5에 도시된 바와 같이 판단된 상태의 정도를 3개로 구분하여 이를 3개의 진단 레벨로 분류하고, 각 진단 레벨별로 대응되는 회복 운전 모드를 선택하여 물부족 상태 또는 공기 과급 상태를 회복할 수 있도록 할 수 있다.Classifying the first state into a first one of a plurality of diagnostic levels if it is determined to be a first state, classifying the second state into a second one of the plurality of diagnostic levels if determined to be a second state, , It is possible to classify the third state into a third one of the plurality of diagnostic levels. That is, according to the degree of the determined state, the diagnosis levels are classified into a plurality of diagnostic levels. For example, as shown in FIG. 5, the degree of the determined states is classified into three, and classified into three diagnostic levels. It is possible to select a corresponding recovery operation mode to recover the water shortage state or the air supercharge state.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이다.7 is a flowchart illustrating a method of controlling an operation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 도 5에 도시된 바와 같은 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태에 해당하는지 여부를 판단하고(S710), 판단 결과에 따라 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태에 해당하지 않는 경우 정상 운전 모드로 동작하고(S720), 제1 상태, 제2 상태 및 제3 상태에 해당하는 경우에 각 상태에 대응하는 회복 운전 모드를 선택하여 동작 제어할 수 있다(S730). 회복 운전 모드(S730)로 동작하여, 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태가 회복되면, 다시 연료전지 스택의 공기 과급 상태 또는 물부족 상태를 판단한다(S710). 회복 운전 모드는 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태가 회복될 때까지 반복 수행된다.Referring to FIG. 7, it is determined whether or not the first state, the second state, and the third state as shown in FIG. 5 are satisfied (S710). The first state, the second state, and the third state (S720). In the case of the first state, the second state, and the third state, a recovery operation mode corresponding to each state may be selected and operation control may be performed (S730) . If the first state, the second state, or the third state is recovered, the air-boost state or the water-deficient state of the fuel cell stack is again determined (S710). The recovery operation mode is repeated until the first state, the second state, or the third state is recovered.

회복 운전 모드는 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드, 및 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 포함할 수 있다.The recovery operation mode includes a recovery operation mode in which the temperature of the cooling water inlet and an outlet of the fuel cell stack are controlled to forcibly cool the fuel cell stack, a recovery operation mode in which the idle stop entry condition of the fuel cell system is relaxed, A recovery operation mode for lowering the main bus voltage connected to the output stage, a recovery operation mode for lowering the basic air supply flow rate, and a recovery operation mode for operating the fuel cell stack with a minimum stoichiometric ratio (SR) .

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법 중 하나를 도시한 순서도이다. 도 8을 참조하면, 정상 운전 모드인지 여부를 판단하여(S720), 정상 운전 모드인 경우 연료전지의 온도가 그대로 유지되도록 하며(S722), 정상 모드가 아닌 경우 연료전지를 강제로 냉각시키는 회복 운전 모드가 수행된다(S732). 이러한 강제 냉각 운전 제어는 연료전지 제어기의 일부분인 냉각 제어부에서 수행될 수 있다.FIG. 8 is a flowchart showing one of operation control methods of the fuel cell system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, it is determined whether the fuel cell is in the normal operation mode (S720). In the normal operation mode, the temperature of the fuel cell is maintained (S722) Mode is performed (S732). This forced cooling operation control can be performed in the cooling control portion which is a part of the fuel cell controller.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 강제 냉각 회복 운전을 도시한 도면이다. 도 11을 참조하면 회복 운전 모드 중 하나인 강제 냉각 제어를 위해서 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도, 외기온, 차속 등의 정보를 입력값으로 수신하여 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 설정한다. 그리고 목표 온도로 냉각시키기 위해 냉각 제어부에서 물펌프 회전수, 라디에이터 팬 회전수, 써모스탯 개도 제어 지령을 물펌프, 라디에이터 팬, 써모스탯 등으로 송신한다.11 is a view showing a forced cooling recovery operation according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 11, for the forced cooling control, which is one of the recovery operation modes, information such as temperature, outside temperature, and vehicle speed of the cooling water inlet and outlet of the fuel cell stack is received as an input value to set a target temperature of the cooling water inlet and outlet. In order to cool to the target temperature, the cooling control section transmits the water pump rotation speed, the radiator fan rotation speed, and the thermostat opening control command to the water pump, the radiator fan, and the thermostat.

회복 운전 모드에서는 연료전지 스택 내부의 물부족 현상을 완화시키기 위해서 연료전지 스택의 운전 온도를 강제로 냉각할 필요가 있다. 즉, 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기준 온도보다 낮게 설정하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것이다. In the recovery operation mode, it is necessary to forcibly cool the operating temperature of the fuel cell stack to mitigate the water shortage inside the fuel cell stack. That is, the recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack is a recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack by setting the target temperatures of the inlet and the outlet of the cooling water to be lower than the reference temperature.

따라서 냉각수 입구와 출구의 온도 정보를 입력값으로 수신할 때, 실제 냉각수 입구 및 출구의 온도보다 오프셋(offset)만큼 더 높은 온도를 입력값으로 사용할 수 있다. 냉각수 온도 입력 정보를 치팅(cheating)하거나, 냉각수 입구 및 출구의 목표 온도가 더 낮게 설정될 수 있다.Therefore, when the temperature information of the inlet and outlet of the cooling water is received as an input value, a temperature higher than the temperature of the inlet and outlet of the actual cooling water may be used as the input value. The cooling water temperature input information may be cheated, or the target temperature of the cooling water inlet and outlet may be set to be lower.

예컨대, 연료전지 스택의 상태가 제3 진단 레벨에 해당되면, 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다. 즉, 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기존의 온도보다 더 낮게 설정하여 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다(도 12의 A1).For example, if the state of the fuel cell stack corresponds to the third diagnostic level, a recovery operation mode in which the temperature of the inlet and the outlet of the cooling water are controlled to forcibly cool the fuel cell stack can be selected. That is, the recovery operation mode in which the fuel cell stack is forcedly cooled by setting the target temperature of the inlet and the outlet of the cooling water to be lower than the conventional temperature may be selected (A1 in FIG. 12).

도 9 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템의 운전 제어 방법을 도시한 순서도이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 상태와 대응되는 회복 운전 모드를 도시한 표이다. 도 9는 회복 운전 모드에서 연료전지의 발전과 아이들 스탑을 제어하는 방법을 도시하고 있다.  FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of controlling an operation of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention. FIG. 12 is a flowchart illustrating a method of operating a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, It is a table shown. 9 shows a method of controlling the power generation of the fuel cell and the idle stop in the recovery operation mode.

도 2와 관련하여 상술한 바와 같이 차량 부하와 배터리의 충전 상태(SOC), 연료전지의 상황등을 고려하여 연료전지의 발전 및 정지를 제어할 수 있다. 그런데, 회복 운전 모드에서는 연료전지 발전 정지의 조건이 더 완화되어 연료전지 발전 정지 구간이 더 확장되어야 한다. 예컨대, Pidle_off, Pidle_on 기준값을 더 상승시키거나, SOChigh, SOClow 기준을 하향하거나, 연료전지 상태 체크 항목 중 일부를 삭제하는 등의 방법을 통하여 연료전지 발전 정지 구간이 더 확대되어야 한다. As described above with reference to FIG. 2, the power generation and stop of the fuel cell can be controlled in consideration of the vehicle load, the state of charge (SOC) of the battery, the state of the fuel cell, and the like. However, in the recovery operation mode, the condition for stopping the fuel cell power generation is further relaxed, and the fuel cell power generation stop period must be further expanded. For example, the fuel cell power generation stop section should be further expanded through a method of further raising the Pidle_off and Pidle_on reference values, lowering the SOChigh, SOClow criterion, or deleting some of the fuel cell status check items.

일 예로 도 12에 도시된 바와 같이, 제3 상태에 대응되는 제3 진단 레벨에 해당하는 경우 연료전지 발전 정지 구간이 더 확장될 수 있다. 즉, 아이들 스탑 진입 조건을 완화시킬 수 있다. 연료전지 발전 정지 조건에 해당하는지를 판단하여(S910), 조건 해당시 연료전지 발전을 정지시키고(S920), 연료전지 발전 정지 이후, 다시 재시동 조건이 되는지를 판단하여(S930), 조건이 되는 경우 연료전지를 재시동할 수 있다(S940).For example, as shown in FIG. 12, if the third diagnostic level corresponds to the third state, the fuel cell power generation stop period may be further extended. That is, the condition for entering the idle stop can be relaxed. It is determined whether the fuel cell power generation stop condition is met (S910). If the condition is satisfied, the fuel cell power generation is stopped (S920). After the fuel cell power generation is stopped, The battery can be restarted (S940).

한편, 회복 운전 모드에서 연료전지 발전 정지 조건에 해당하지 않는다면, 다양한 회복 운전 모드의 동작이 수행되도록 제어할 수 있다. 먼저 양방향 DC/DC 컨버터(21)를 통한 버스단 전압 상한치를 가변 제어할 수 있다(S950). On the other hand, if the fuel cell power generation stop condition is not satisfied in the recovery operation mode, it is possible to control operation of various recovery operation modes. First, the upper limit voltage of the bus terminal voltage through the bidirectional DC / DC converter 21 can be variably controlled (S950).

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메인 버스단 전압 상향치 가변 제어 방법을 도시한 순서도이다. 양방향 DC/DC 컨버터를 통해 메인 버스단의 전압 상한치를 가변 제어하는 방법은 먼저 현재 구동 모터(32)가 회생 제동 중인지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다(S1010). 구동 모터(32)가 회생 제동시에는 메인 버스단 전압 상한치를 기존대로 개방 회로 전압 근처로 원복시킬 수 있다(S1020). 회생 제동 시에 메인 버스단 전압 상한치를 하향시키면, 고전압 배터리(20)의 충전 전류량으로 인하여 회생 제동량이 줄게되어 연비에 큰 손실이 발생하기 때문이다. 따라서, 회복 운전 모드에서도 먼저 회생제동 여부를 판단하여 큰 연비 손실을 막기 위하여 메인 버스단 전압 상한치 하향 운전을 하지 않는다. 10 is a flowchart illustrating a main bus voltage upper voltage variable control method according to an embodiment of the present invention. A method for variably controlling the voltage upper limit value of the main bus terminal through the bidirectional DC / DC converter may include first determining whether the current drive motor 32 is in the regenerative braking operation (S1010). At the same time as the regenerative braking of the drive motor 32, the upper limit value of the main bus voltage can be adjusted to the vicinity of the open circuit voltage as usual (S1020). When the main bus voltage upper limit value is lowered at the time of regenerative braking, the regenerative braking amount is reduced due to the amount of charge current of the high voltage battery 20, which causes a great loss in fuel consumption. Therefore, in the recovery operation mode, it is judged whether or not the regenerative braking is first performed and the main bus voltage upper limit value downward operation is not performed in order to prevent a large fuel consumption loss.

다만 도 12에 도시된 바와 같이, 제3 상태에 대응되는 제3 진단 레벨에 해당하는 경우 큰 연비의 손실을 감수하더라도 연료전지의 물부족 상태 회복이 더 중요하기 때문에 회생 제동 유무와 무관하게 메인 버스단 전압 상한치를 하향 제어하여 고전압 배터리를 충전시킬 수 있다(도 12의 C2). 따라서, 구동 모터(32)가 회생 제동 중인지 여부 판단은 생략될 수 있다.However, as shown in FIG. 12, even if the third diagnosis level corresponds to the third state, even if the loss of large fuel consumption is reduced, the recovery of the water shortage state of the fuel cell is more important. Therefore, The high voltage battery can be charged by controlling the terminal voltage upper limit value downward (C2 in FIG. 12). Therefore, the determination as to whether the drive motor 32 is regenerative braking can be omitted.

메인 버스단 전압 상한치를 하향시키는 회복 운전 모드를 수행하도록 하기 위해 고전압 배터리의 충전 상태(SOC)와 EV 측에 고장이 있는지 유무를 판단한다(S1030). 즉, 고전압 배터리의 충전이 불가능한 상황인지 여부를 판단하여 고전압 배터리 충전이 가능한 상황일 때에만 메인 버스단 전압 상한치를 하향시키는 것이다(S1060). 전압 상한치를 하향시키는 경우에도, 연료전지 스택의 상태가 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태인지 여부에 따라 진단 레벨이 높을수록 메인 버스단의 전압 상한치를 더 크게 하향시킬 수 있다(도 12의 A2). 고전압 배터리가 완충 상태이거나, EV측에 고장이 있는 경우에는 메인 버스단 전압 상한치를 하향시키지 않고, 정상 운전 모드의 상한치로 운전한다(S1040). 예컨대, 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 SOC 이상인 경우, 즉 배터리가 완충 상태 혹은 더이상 충전이 불가능한 상태인 경우, 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키지 않고, 연료전지 스택의 출력단에 연결된 고전압 히터를 동작시킨다.In order to perform the recovery operation mode for lowering the main bus voltage upper limit value, it is determined whether there is a failure state in the charging state (SOC) and the EV side of the high voltage battery (S1030). That is, it is determined whether charging of the high voltage battery is impossible or not, and the main bus voltage upper limit value is lowered only when the charging of the high voltage battery is possible (S1060). Even when the voltage upper limit value is lowered, the voltage upper limit value of the main bus terminal can be lowered further as the diagnosis level becomes higher according to whether the state of the fuel cell stack is the first state, the second state or the third state A2). If the high-voltage battery is in a cushioning state or there is a failure in the EV side, the main bus voltage upper limit value is not lowered but the operation is performed at the upper limit value of the normal operation mode (S1040). For example, when the state of charge (SOC) of the battery is equal to or greater than a predetermined SOC, that is, when the battery is in a cushioning state or in a state where charging is no longer possible, a recovery operation mode for lowering the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack is selected The high voltage heater connected to the output terminal of the fuel cell stack is operated without performing the recovery operation.

또한, 연료전지 스택의 공기 과급 상태 또는 물부족 상태가 심각한 경우 예컨대 제3 상태에 해당하는 경우 연료전지의 물 생성을 위해 연료전지에 연결된 고전압 히터를 사용할 수 있다(S1050, 도 12의 A5). 즉, 연료전지 스택의 상태가 제3 진단 레벨에 해당되면, 연료전지 스택의 출력을 부하에 따라 제어하여 부하 추종 운전시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다. EV 측 고장은 양방향 DC/DC 컨버터 또는 고전압 배터리의 고장 발생 상황일 수 있으며, 고전압 히터의 사용은 생략 가능하다.Further, when the air overcharge state or the water shortage state of the fuel cell stack is severe, for example, when the state corresponds to the third state, a high voltage heater connected to the fuel cell for water generation of the fuel cell may be used (S1050, A5 in FIG. That is, if the state of the fuel cell stack corresponds to the third diagnostic level, the recovery operation mode in which the output of the fuel cell stack is controlled in accordance with the load to follow the load operation can be selected. Failure of the EV side may be a failure of the bidirectional DC / DC converter or the high voltage battery, and the use of a high voltage heater may be omitted.

메인 버스단의 전압 상한치를 하향 제어할 경우, 연료전지의 저출력 사용빈도가 줄어들고, 연료전지 발전 정지 구간이 증가하며, 기본 전류 생성 빈도가 증가한다. 또한 고전압 배터리의 사용 영역이 확대된다. 이러한 효과는 도 14에 도시된 종래와 본 발명에 따른 차속, 배터리 상태, 상대 습도 등의 차이를 도시한 그래프에서 확인할 수 있다. 종래와 대비하여 연료전지의 저출력 사용 빈도가 줄어들고, 연료전지 발전 정지 구간이 증가하였으며, 기본 전류 생성 빈도가 증가하였다. 배터리의 충전 상태에 관한 그래프를 통해 고전압 배터리의 사용 영역, 즉 충방전 영역이 확대된 것을 알 수 있다. 즉, 연료전지 스택에서 저전류 요구시에 남는 전력은 배터리 강제 충전을 통해 EV 모드로의 주행 구간을 확대할 수 있다. When the voltage upper limit value of the main bus terminal is controlled downward, the frequency of use of the low output power of the fuel cell is reduced, the fuel cell power generation stoppage period is increased, and the frequency of generating the basic current is increased. In addition, the use area of the high voltage battery is expanded. Such an effect can be confirmed in a graph showing differences in vehicle speed, battery condition, relative humidity, etc. according to the conventional and the present invention shown in FIG. Compared to the past, the frequency of low power use of the fuel cell is reduced, the fuel cell power stop period is increased, and the frequency of generating the basic current is increased. It can be seen that the use area of the high-voltage battery, that is, the charging / discharging area is enlarged through the graph of the charging state of the battery. That is, the power remaining in the fuel cell stack at the time of low current demand can be extended to the EV mode through forced battery charging.

양방향 DC/DC 컨버터(21)를 통해 메인 버스단의 전압 상한치의 하향 여부를 제어하고, 이후 연료전지 제어기는 기본 공기 공급 유량을 하향시킬 수 있다(S960). 예컨대, 전류 30A에 해당하는 유량을 10A에 해당하는 공기 유량으로 기본 공기 공급 유량을 하향 조정할 수 있다. 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 경우에도, 연료전지 스택의 상태가 제1 상태, 제2 상태 또는 제3 상태인지 여부에 따라 진단 레벨이 높을수록 연료전지 스택으로 공급되는 공기의 양을 더 많이 하강시킬 수 있다(도 12의 A3). 즉, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시킬 수 있다.The controller controls whether the voltage upper limit value of the main bus terminal is lowered through the bidirectional DC / DC converter 21, and then the fuel cell controller can lower the basic air supply flow rate (S960). For example, the flow rate corresponding to the current 30A can be adjusted down to the air flow rate corresponding to 10A. Even when the basic air supply flow rate is lowered, the higher the diagnostic level, depending on whether the state of the fuel cell stack is the first state, the second state or the third state, the more the amount of air supplied to the fuel cell stack is lowered (A3 in Fig. 12). That is, when the recovery operation mode in which the basic air supply flow rate is lowered is selected and the recovery operation is performed, the downward degree of the stoichiometric ratio control region can be varied according to the classified diagnosis level.

또한, 공기 공급 SR 가변 제어를 디스에이블시켜 최소 SR로 운전시켜 공기 공급을 최대한 낮출 수도 있다(S970, 도 12의 A4). 예컨대, 연료전지 스택의 상태가 제2 진단 레벨 또는 제3 진단 레벨에 해당되면, 최소 SR로 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드가 선택될 수 있다. In addition, it is also possible to disable the air supply SR variable control to operate at the minimum SR to lower the air supply as much as possible (S970, A4 in Fig. 12). For example, if the state of the fuel cell stack corresponds to the second diagnostic level or the third diagnostic level, a recovery operation mode for operating the fuel cell stack with the minimum SR may be selected.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 공급 화학 양론비 가변 제어를 도식화한 도면이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 실제 연료전지 전류와 실제 공기 유량, 캐소드 측 입구의 온도, 캐소드 측 출구 온도 및 연료전지 스택을 구성하는 연료전지 셀의 개수를 입력으로 하고, 내부 파라미터로 가습기 효율맵, 애노드 측에서 캐소드 측으로 이동하는 물의 양, 공기 유량에 대한 캐소드 측 입구의 압력과 공기 유량에 대한 캐소드 측 출구의 압력을 포함하는 상대 습도(RH) 추정 모델에서 추정된 캐소드 측 출구의 상대 습도 추정값에 기반하여 추정값과 기맵핑된 화학 양론비 맵 또는 목표 상대습도 기반 화학 양론비 PI 제어를 통해 목표 화학 양론비를 결정할 수 있다. 도시된 바와 같이 상대 습도 추정값에 따라 화학 양론비를 가변제어할 수 있으나, 이러한 가변 제어를 디스에이블 시키고, 최소 화학 양론비로 운전시키는 회복 운전 모드로 회복 운전시킬 수 있는 것이다.13 is a diagram illustrating an air supply stoichiometric non-variable control according to an embodiment of the present invention. 13, the actual fuel cell current and the actual air flow rate, the temperature at the cathode side inlet, the cathode side outlet temperature, and the number of the fuel cell cells constituting the fuel cell stack are input, and the humidifier efficiency map , The relative humidity estimate at the cathode side outlet estimated in a relative humidity (RH) estimation model including the amount of water moving from the anode side to the cathode side, the pressure at the cathode side inlet to the air flow rate and the pressure at the cathode side outlet to the air flow rate The target stoichiometric ratio can be determined through the stoichiometric non-PI control based on the predicted value and the stoichiometry non-map or the target relative humidity. As shown, the stoichiometric ratio can be variably controlled according to the relative humidity estimate, but the variable control can be disabled and the recovery operation mode can be restored to a recovery operation mode that operates at a minimum stoichiometric ratio.

예컨대, 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드는, 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값에 따라서 상기 화학양론비의 제어 영역을 하향하는 회복 운전 모드이다. 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우, 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시킬 수 있다.For example, a recovery operation mode in which the fuel cell stack is operated with a minimum stoichiometric ratio (SR) is determined by a temperature of the cathode side inlet and an outlet of the fuel cell stack, an air flow rate of the fuel cell stack inlet, Is a recovery operation mode in which the control region of the stoichiometric ratio is lowered in accordance with the estimated value of the cathode side relative humidity of the fuel cell stack estimated based on the amount of generated current of the fuel cell stack. When the recovery operation mode in which the fuel cell stack is operated with the minimum stoichiometric ratio (SR) is selected for recovery operation, the downward degree of the stoichiometric ratio control region can be varied according to the classified diagnosis level.

회복 운전 모드에서는 연료전지 발전 정지 영역이 확대되고, 발전 정지가 되지 않더라도, 공기 공급량을 낮추는 동시에 연료전지의 출력을 발생시켜 물을 생성시키는 것이다. 이를 통해 운전성과 연비의 손해가 발생하더라도 저출력 운전 회피를 강화하여 물부족 상황으로 인한 연료전지의 열화를 방지할 수 있다. In the recovery operation mode, the fuel cell power generation stop region is enlarged, and even if power generation is not stopped, the air supply amount is lowered and the output of the fuel cell is generated to generate water. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the fuel cell due to the water shortage situation by enhancing the low output driving avoidance even if the operation and the fuel cost are damaged.

상술한 바와 같이 진단 레벨이 낮을수록, 판단된 연료전지 스택의 공기 과급 또는 물부족 상태가 낮을수록, 복수의 회복 운전 모드 각각의 실행 강도를 낮게하고, 항목을 줄이는 것이 바람직하다. 복수의 회복 운전 모드들은 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 최소 SR로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드 또는 상기 연료전지 스택에 공급되는 공기의 양을 하강시키는 회복 운전 모드 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 회복 운전 모드들은 연비가 저하되거나, 가속 응답성이 저하되는 문제가 있기 때문에, 연료전지 스택의 상태의 심각도에 따라 선택적으로 운전되어야 한다.As described above, it is preferable that the lower the diagnostic level, the lower the air supercharge or the water shortage state of the determined fuel cell stack, the lower the execution intensity of each of the plurality of recovery operation modes and reduce the items. The plurality of recovery operation modes include a recovery operation mode for controlling the temperature of the cooling water inlet and the outlet of the fuel cell stack to forcibly cool the fuel cell stack, a recovery operation mode for alleviating the idle stop entry condition of the fuel cell system, At least one of a recovery operation mode for lowering the main bus voltage connected to the output terminal of the stack, a recovery operation mode for operating the fuel cell stack with the minimum SR, or a recovery operation mode for lowering the amount of air supplied to the fuel cell stack . However, since these recovery operation modes have a problem that the fuel efficiency is lowered or the acceleration response is lowered, they must be selectively operated depending on the severity of the state of the fuel cell stack.

발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the scope of the present invention. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 연료전지 13 : 다이오드
14 : 릴레이 20 : 고전압 배터리
21 : 양방향 DC/DC 컨버터 31 : 인버터
32 : 구동 모터 33 : 고전압 부하
40 : 저전압 배터리 41 : 저전압 부하
42 : 저전압 DC/DC 컨버터10: fuel cell 13: diode
14: Relay 20: High voltage battery
21: bidirectional DC / DC converter 31: inverter
32: drive motor 33: high voltage load
40: Low voltage battery 41: Low voltage load
42: Low-voltage DC / DC converter

Claims (24)

연료전지 스택으로의 공기 과급 상태 또는 연료전지 스택의 열화 상태에 기반하여 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 상태를 판단하는 단계;
상기 판단된 상태에 따라 연료전지 시스템의 진단 레벨을 분류하는 단계; 및
상기 분류된 진단 레벨에 대응하는 적어도 하나의 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 단계를 포함하고,
상기 회복 운전 모드는, 상기 연료전지 스택의 냉각수 입구와 출구의 온도를 제어하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 시스템의 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드, 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드, 및 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.Determining a water shortage state in the fuel cell stack based on an air supercharge state of the fuel cell stack or a deterioration state of the fuel cell stack;
Classifying the diagnostic level of the fuel cell system according to the determined state; And
Selecting at least one recovery operation mode corresponding to the classified diagnosis level and performing a recovery operation,
The recovery operation mode includes a recovery operation mode for controlling the temperature of the inlet and the outlet of the cooling water of the fuel cell stack to forcibly cool the fuel cell stack, a recovery operation mode for alleviating the idle stop entry condition of the fuel cell system, A recovery operation mode for lowering the main bus voltage connected to the output terminal of the battery stack, a recovery operation mode for lowering the basic air supply flow rate, and a recovery operation mode for operating the fuel cell stack with a minimum stoichiometric ratio (SR) ≪ / RTI >
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 분류하는 단계는,
상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 시스템의 고장에 기인하여 상기 연료전지 스택으로의 공기 과급이 예측되는 제1 상태라고 판단되면, 상기 제1 상태를 제1 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
Wherein said classifying comprises:
And classifying the first state into a first diagnostic level if it is determined in the determining step that the air conditioner is predicted to be in a first state due to a failure of the fuel cell system, ,
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 분류하는 단계는,
상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지 스택으로 공기가 과급되어, 상기 연료전지 스택 내부의 물부족 발생이 예측되는 제2 상태라고 판단되면, 상기 제2 상태를 제2 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
Wherein said classifying comprises:
Wherein the step of classifying the second state into the second diagnostic level is performed when it is determined that the air is supercharged to the fuel cell stack and the occurrence of water shortage in the fuel cell stack is predicted in the determining step, As a result,
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제3항에 있어서,
상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 대해 상기 연료전지 스택으로 과급되는 공기량 또는 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값을 통해 산출되는 상기 캐소드 측 잔존수의 변화에 기반하여 판단되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method of claim 3,
The second state is determined based on a change in the cathode-side remaining number calculated through an amount of air supercharged into the fuel cell stack with respect to the output current consumption of the fuel cell stack or an estimated value of the cathode-side relative humidity of the fuel cell stack ≪ / RTI >
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제3항에 있어서,
상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 차이인 공기 과급량과 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method of claim 3,
Wherein the second state is a result of calculating an air supercharge amount which is a difference between an amount of air required for the output current consumption of the fuel cell stack and an amount of air supplied to the fuel cell stack and a resultant value calculated according to the operation temperature of the fuel cell stack, Or more,
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제3항에 있어서,
상기 제2 상태는 상기 연료전지 스택의 출력 전류 소모량에 요구되는 공기량과 현재 연료전지 스택으로 공급되는 공기량의 비율 및 상기 연료전지 스택의 운전 온도에 따라 산출된 결과값이 제1 기준값 이상인 상태인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법. The method of claim 3,
The second state is a state in which the ratio of the amount of air required for the output current consumption of the fuel cell stack to the amount of air supplied to the fuel cell stack and the resultant value calculated according to the operation temperature of the fuel cell stack is equal to or greater than the first reference value Features,
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제4항에 있어서,
상기 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값은 상기 연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the estimated value of the cathode side relative humidity of the fuel cell stack is estimated based on the temperature of the cathode side inlet and outlet of the fuel cell stack, the air flow rate of the fuel cell stack inlet, and the generated current amount of the fuel cell stack ,
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제4항에 있어서,
상기 잔존수의 변화는 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 상기 추정값일 때와 상기 캐소드 측 출구의 상대 습도가 90 내지 110%일 때의 캐소드 측 출구의 수증기 유량에 기반하여 산출되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the change in the remaining number is calculated based on the water vapor flow rate at the cathode side outlet when the relative humidity at the cathode side outlet is the estimated value and the relative humidity at the cathode side outlet is 90 to 110%
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제8항에 있어서,
상기 캐소드 측 출구의 수증기 유량은 상기 캐소드 측 출구의 수증기압, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따른 상기 캐소드 측 출구의 공기압, 및 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량에 따라 산출되는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the water vapor flow rate at the cathode side outlet is calculated according to the water vapor pressure at the cathode side outlet, the air pressure at the cathode side outlet according to the air flow rate at the fuel cell stack inlet, and the air flow rate at the fuel cell stack inlet.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 분류하는 단계는,
상기 판단하는 단계에서 상기 연료전지의 전류 및 전압, 임피던스 또는 전류 차단법을 통해, 물부족으로 인한 스택의 열화가 진행된 제3 상태라고 판단되면, 상기 제3 상태를 제3 진단 레벨로 분류하는 단계인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
Wherein said classifying comprises:
And classifying the third state into a third diagnostic level if it is determined that the stack is deteriorated due to water shortage through the current, voltage, impedance, or current cutoff method of the fuel cell in the determining step ≪ / RTI >
A method for controlling operation of a fuel cell system. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 목표 온도를 기준 온도보다 낮게 설정하여 상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
Wherein the recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack is a recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack by setting a target temperature of the inlet and the outlet of the cooling water to be lower than a reference temperature.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택을 강제 냉각시키는 회복 운전 모드는 냉각수 입구와 출구의 온도를 실제 온도보다 소정 오프셋만큼 높은 온도로 설정하여 설정된 온도에 맞게 강제 냉각시키는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
Wherein the recovery operation mode for forcibly cooling the fuel cell stack is a recovery operation mode for forcibly cooling the inlet and outlet of the cooling water to a predetermined temperature by setting a temperature higher than the actual temperature by a predetermined offset.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 회복 운전시키는 단계는,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 설정하는 기준 온도와 오프셋을 가변하여 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 12 or 13,
Wherein the recovering and driving step includes:
And adjusting the reference temperature and the offset according to the classified diagnosis level to perform a recovery operation.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 아이들 스탑 진입 조건은 연료전지 차량의 부하가 기설정된 기준치보다 작고, 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 충전 상태보다 높은 경우이며,
상기 아이들 스탑 진입 조건을 완화시키는 회복 운전 모드는 상기 기설정된 기준치를 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 낮추는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
The idle stop entry condition is a case where the load of the fuel cell vehicle is smaller than a preset reference value and the state of charge (SOC) of the battery is higher than a predetermined state of charge,
Wherein the recovery operation mode for relieving the idle stop entry condition is a recovery operation mode for raising the predetermined reference value and lowering the predetermined charging state.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제15항에 있어서,
상기 회복 운전시키는 단계는,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기설정된 기준치를 더 많이 높이고, 상기 기설정된 충전 상태를 더 많이 낮춰 회복 운전시키는 단계인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.16. The method of claim 15,
Wherein the recovering and driving step includes:
The predetermined reference value is further increased according to the classified diagnosis level, and the predetermined charging state is further lowered to perform a recovery operation.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하며,
상기 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전은, 상기 메인 버스단 운전 전압의 상한치를 하향하여 상기 연료전지 스택의 출력이 기설정된 출력값 이하가 되는 것을 방지하는 운전인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
When a recovery operation mode in which the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack is lowered is selected for recovery operation,
Further comprising the step of determining whether charging of the battery is possible before the recovery operation,
Wherein the recovery operation for lowering the voltage of the main bus terminal is an operation for preventing the output of the fuel cell stack from falling below a predetermined output value by lowering the upper limit value of the main bus terminal operation voltage.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 회생 제동 중인 경우에도 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
And a recovery operation mode for lowering the voltage of the main bus terminal connected to the output terminal of the fuel cell stack even in the case of regenerative braking according to the classified diagnosis level.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제17항에 있어서,
상기 회복 운전시키기 이전에 배터리의 충전이 가능한 상태인지 여부를 판단하는 단계에서, 상기 배터리의 충전 상태(SOC)가 기설정된 SOC 이상인 경우, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키지 않고, 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 고전압 히터를 동작시키는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.18. The method of claim 17,
(SOC) of the battery is equal to or greater than a predetermined SOC, the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack is lowered in the step of determining whether charging of the battery is possible before the recovery operation Voltage heater connected to the output terminal of the fuel cell stack without selecting a recovery operation mode and performing a recovery operation,
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 연료전지 스택의 출력단에 연결된 메인 버스단 전압의 상한치 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
When a recovery operation mode in which the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack is lowered is selected for recovery operation,
And varying the degree of downward of the upper limit value of the main bus voltage connected to the output terminal of the fuel cell stack according to the classified diagnosis level.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 기본 공기 공급 유량을 하향시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 기본 공기 공급 유량의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
When the recovery operation mode for lowering the basic air supply flow rate is selected and the recovery operation is performed,
And the degree of downward flow of the basic air supply flow rate is varied according to the classified diagnosis level.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드는,
연료전지 스택의 캐소드 측 입구와 출구의 온도, 상기 연료전지 스택 입구의 공기 유량 및 상기 연료전지 스택의 생성 전류량에 기반하여 추정되는 연료전지 스택의 캐소드 측 상대 습도의 추정값에 따라서 상기 화학양론비의 제어 영역을 하향하는 회복 운전 모드인 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
The recovery operation mode in which the fuel cell stack is operated with the minimum stoichiometric ratio (SR)
The stoichiometric ratio of the fuel cell stack according to the estimated value of the cathode side relative humidity of the fuel cell stack estimated based on the temperature of the cathode side inlet and outlet of the fuel cell stack, the air flow rate of the fuel cell stack inlet, Wherein the control operation is a recovery operation mode in which the control area is lowered.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제22항에 있어서,
상기 최소 화학양론비(Stoichiometry Ratio :SR)로 상기 연료전지 스택을 운전시키는 회복 운전 모드를 선택하여 회복 운전시키는 경우,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 화학 양론비 제어 영역의 하향 정도를 가변시키는 것을 특징으로 하는,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.23. The method of claim 22,
When the recovery operation mode in which the fuel cell stack is operated with the minimum stoichiometric ratio (SR) is selected and the recovery operation is performed,
Wherein the degree of downwardness of the stoichiometric ratio control region is varied according to the classified diagnostic level.
A method for controlling operation of a fuel cell system. 제1항에 있어서,
상기 회복 운전시키는 단계는,
상기 분류된 진단 레벨에 따라 상기 선택된 회복 운전 모드의 수를 달리하여 회복 운전시키는 단계인,
연료전지 시스템의 운전 제어 방법.The method according to claim 1,
Wherein the recovering and driving step includes:
And performing a recovery operation by varying the number of the selected recovery operation modes according to the classified diagnosis levels,
A method for controlling operation of a fuel cell system.
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